Proyecto Fin de Carrera Ingeniería...

Proyecto Fin de Carrera

Ingeniería Aeronáutica

Diseño y modelado mediante CATIA V5 de

operaciones de conformado incremental de chapa y

aplicación práctica en ensayos de laboratorio

Autor: Sara Jiménez Sánchez-Migallón

Tutor: D. Domingo Morales Palma

Dep. de Ingeniería Mecánica y Fabricación

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2014

Proyecto Fin de Carrera

Ingeniería Aeronáutica

Diseño y modelado mediante CATIA V5 de

operaciones de conformado incremental de chapa y


Autor:

Sara Jiménez Sánchez-Migallón

Tutor:

D. Domingo Morales Palma

Profesor contratado Doctor

Departamento de Ingeniería Mecánica y Fabricación

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2014

Proyecto Fin de Carrera: Diseño y modelado mediante CATIA V5 de operaciones de conformado incremental

de chapa y aplicación práctica en ensayos de laboratorio

Autor: Sara Jiménez Sánchez-Migallón

Tutor: D. Domingo Morales Palma

El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros:

Presidente:

Vocales:

Secretario:

Acuerdan otorgarle la calificación de:

Sevilla, 2014

El Secretario del Tribunal

7

Agradecimientos

Quiero dar mi más sincero agradecimiento a mi tutor D. Domingo Morales Palma por haberme dirigido

este proyecto fin de carrera, y por su incondicional ayuda, dedicación y disponibilidad a lo largo del mismo.

A todos los miembros del grupo de investigación del departamento de Ingeniería Mecánica y

Fabricación, y a los técnicos del laboratorio, D. Antonio y D. Manuel, que siempre han mostrado plena

disposición para ayudarme en todo lo posible.

Dedico el presente proyecto a mi familia, y muy especialmente a mis padres, Paqui y Germán, y a mi

hermana Gemma, por toda su confianza en mí y su apoyo en los buenos y malos momentos, así como por la

educación y valores que me han inculcado desde pequeña. Gracias a ellos todo es siempre mucho más fácil.

A Basti, por estar ahí siempre que lo necesito, por su gran paciencia, por estos 7 años de tanta alegría, y

porque su apoyo durante toda la carrera ha sido muy importante para mí.

A mis amigos por estar siempre a mi lado y hacer que estos años de carrera hayan sido menos duros.

Sin todos ellos, esto nunca habría sido posible.

A todos muchas gracias.

Sara Jiménez Sánchez-Migallón

Sevilla, 2014

9

Índice

Agradecimientos 7

Índice 9

Capítulo 1: Introducción 11 1.1. Contexto del proyecto 11 1.2. Objetivos 12 1.3. Estructura del documento 12

Capítulo 2: Conformado incremental de chapa 15 2.1. Tipos de conformado incremental 16 2.2. Ventajas y limitaciones frente al conformado tradicional 18 2.3. Aplicaciones industriales 19 2.4. Parámetros importantes de conformado 26

2.4.1. Material de la chapa 26 2.4.2. Geometría de la pieza 27 2.4.3. Tamaño y forma de la herramienta conformadora 27 2.4.4. Trayectoria de la herramienta conformadora 27 2.4.5. Profundidad de penetración entre pasadas 28 2.4.6. Velocidad de conformado 29 2.4.7. Ángulo de conformado 29 2.4.8. Lubricación 30

2.5. Líneas de investigación relevantes 30 2.6. Conformabilidad de chapa metálica 32

2.6.1. Modos principales de fallo 32 2.6.2. Diagramas límite de conformado (DLC) 33 2.6.2. Métodos experimentales de obtención de las curvas CLC 36

Capítulo 3: Set-up experimental 39 4.1. Chapa de metal 39 4.2. Sistema de sujeción de la chapa 40 4.3. Herramienta de conformado 43 4.4. Centro de mecanizado CNC 45

Capítulo 4: Modelado en CATIA V5 47 4.1. Herramientas de modelado 47

4.1.1. Modelado de sólidos 47 4.1.2. Ensamblaje de piezas 49 4.1.3. Mecanizado de las piezas 50

4.2. Modelado de la herramienta de conformado 52 4.3. Modelado del sistema de sujeción 53 4.4. Modelado de las chapas 55

4.4.1. Diseño de las chapas 55 4.4.2. Estrategia de la trayectoria 61

4.5. Generación del código APT 68 4.6. Postprocesado con WinPost 70

10

Capítulo 5: Procedimiento experimental 73 5.1. Preparación de la chapa de trabajo 73 5.2. Mallado 74 5.3. Realización ensayos de conformado incremental 76 5.4. Medición de deformaciones 85

Capítulo 6: Resultados obtenidos 95 6.1. Chapa con forma de cono con cinco lóbulos 95 6.2. Chapa con forma toroidal con pendiente de ángulo variable 96 6.3. Chapa con forma de cono 97 6.4. Chapa con forma piramidal con pendiente de ángulo variable 98 6.5. Chapa con forma de cruz 99 6.6. Discusión de los resultados 101

Capítulo 7: Conclusiones y trabajos futuros 103 7.1. Conclusiones 103 7.2. Trabajos futuros 104

Referencias 107

Anexo A: Valores de las deformaciones 111

11

CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN

1.1. Contexto del proyecto

Hoy en día existe una necesidad cada vez más exigente para el desarrollo de técnicas de fabricación

ágiles que puedan ser fácilmente adaptables a la introducción de nuevos productos en el mercado. La

industria del conformado de metales está en continua búsqueda y desarrollo de nuevas tecnologías que

permitan el ahorro de tiempo y costes.

Las tecnologías tradicionales no resultan baratas debido al alto coste de equipos, punzones, y matrices

que han de ser fabricados con un perfil muy parecido al de la pieza final, y debido también al tiempo de set-

up de las máquinas. Por tanto, estas tecnologías sólo resultan rentables para grandes lotes de producción.

Por otro lado, las tecnologías tradicionales permiten alcanzar un alto nivel de automatización renunciando,

sin embargo, a la flexibilidad.

En las últimas décadas las industrias metalúrgicas tienen que hacer frente a nuevas necesidades como la

producción de lotes más pequeños y la constante demanda de procesos más flexibles. Todas estas nuevas

necesidades se contradicen con las tradicionales tecnologías de fabricación por conformado y han dado lugar

a la aparición de las tecnologías que utilizan el conformado incremental. Las técnicas de conformado

incremental se han desarrollado en los últimos años gracias a los avances en el mecanizado controlado por

ordenador, el conformado incremental de un solo punto (SPIF) y el desarrollo de postprocesadores de

trayectoria en los paquetes de software CAD/CAM.

En este contexto, el grupo de investigación del departamento de Ingeniería Mecánica y Fabricación de la

Universidad de Sevilla, investiga desde hace varios años sobre el conformado de chapa metálica en

diferentes materiales. Bajo esta línea de investigación se obtuvieron los diagramas límite de conformado del

AA7075-O de 1.6 mm de espesor que se van a usar en este proyecto. Además, actualmente, el grupo

también investiga el uso del software CATIA V5 para la realización del mecanizado de piezas con las

máquinas de control numérico disponibles en el taller.

Este proyecto surge de la iniciativa del grupo de investigación de modelar y diseñar con CATIA V5 las

operaciones de conformado incremental de chapa y así, poder obtener las trayectorias de la herramienta

necesarias para llevar a cabo el proceso real de conformado incremental de chapa en el centro de

mecanizado disponible en el taller.

12 Introducción

1.2. Objetivos

Este proyecto tiene como objetivo general conocer el comportamiento del aluminio 7075-O en el

proceso de conformado incremental de un solo punto (SPIF). Para ello se ha investigado por vía experimental

la conformabilidad de láminas de AA7075-O de 1.6 mm de espesor.

Con el fin de lograr este objetivo se ha establecido la siguiente la siguiente lista de tareas u objetivos

concretos a realizar:

Diseño en CATIA V5 de las geometrías de las piezas que se quieren estudiar.

Generación de las trayectorias de la herramienta para el conformado incremental de chapa

mediante CATIA V5.

Postprocesado del código de control numérico generado por CATIA V5 para su utilización en el

centro de mecanizado EMCO VMC-200.

Fabricación de las geometrías objeto de estudio.

Medición experimental y análisis de las deformaciones del material en las piezas ensayadas.

Comparación de los resultados obtenidos con las curvas límite de conformado del AA7075-O de 1.6

mm de espesor.

1.3. Estructura del documento

Este proyecto está organizado en siete capítulos, incluyendo la presente introducción.

El Capítulo 2 resume la parte teórica en la que se basa el proyecto. Contiene una visión general de los

procesos de conformado incremental que incluye los tipos existentes, las ventajas e inconvenientes frente a

las alternativas de conformado tradicionales, la identificación de las aplicaciones industriales y de los

parámetros importantes de conformado y las líneas de investigación relevantes. El capítulo finaliza con un

apartado sobre la conformabilidad de chapa metálica, lo cual es muy importante ya que el fallo del material

inutiliza el proceso.

En el Capítulo 3 se describen los elementos que se han utilizado para realizar el proceso de conformado

incremental de un solo punto (SPIF): chapa, sistema de sujeción, herramienta conformadora y máquina-

herramienta de control numérico.

El Capítulo 4 proporciona una descripción de la evolución del diseño CAD/CAM, desde las herramientas

de modelado utilizadas en CATIA V5, pasando por el modelado de la herramienta de conformado, el sistema

de sujeción y las piezas a ensayar y el posterior mecanizado de estas. Finalmente se genera el código APT que

se postprocesa para obtener el código ISO específico del centro de mecanizado con el que se va a realizar el

proceso de conformado incremental.

13

Diseño y modelado mediante CATIA V5 de operaciones de conformado incremental de chapa y


El Capítulo 5 describe el procedimiento experimental que se ha llevado a cabo en el taller para la

realización de los ensayos de conformado incremental y la medición de las deformaciones sufridas por las

piezas.

El Capítulo 6 presenta los resultados obtenidos de las deformaciones medidas en las piezas. Dichos

resultados son descritos, analizados y discutidos con detalle.

El capítulo 7 muestra las conclusiones principales de este trabajo y los posibles trabajos futuros que

pueden derivarse de este proyecto.

Al final de este documento se adjuntan dos anexos, uno con los planos de las diferentes partes que

componen el sistema de sujeción y otro con los valores de las deformaciones medidas.

14 Introducción

15

CAPÍTULO 2 CONFORMADO INCREMENTAL DE

CHAPA

Actualmente, diversos sectores industriales (aeronáutico, automoción, biomédico, ferroviario, etc.)

utilizan procesos de conformado para producir componentes de geometrías complejas a partir de chapas

metálicas. Los procesos tradicionales que utilizan matrices son apropiados para la producción de grandes

volúmenes de piezas, pero no son rentables en el caso de series reducidas (vehículos especiales, prototipos,

etc.). El conformado incremental es un proceso diferente, inteligente y flexible, que se presenta como una

alternativa a los métodos de conformado tradicionales. Este proceso se basa en metodologías existentes en

el área de fabricación rápida (‘Rapid Manufacturing’), y en comparación con procesos de conformado

tradicionales, esta técnica permite reducir enormemente los costes de utillaje, así como costes asociados a la

propia fabricación de las piezas metálicas, ya que solo requiere de una herramienta simple de soporte. Se

adecua perfectamente a la fabricación de prototipos y series cortas por los bajos costes de producción, pero

el tiempo necesario para conformar una pieza lo hace inviable para series más largas.

El conformado incremental de chapa (ISF) es un proceso tecnológico innovador en el que una chapa de

metal es deformada plásticamente gracias a la progresiva acción de una única herramienta de pequeño

tamaño y punta semiesférica, cuyo movimiento es controlado por una máquina de control numérico y

programado previamente por un sistema CAD/CAM. De este modo, la herramienta deforma el material solo

alrededor del área de contacto mediante un proceso de estiramiento casi puro.

Este proceso se inicia a partir de un fichero CAD 3D con la geometría de la pieza. El proceso está basado

en el principio de conformado por capas, donde el modelo está dividido en secciones horizontales que se

repiten a diferentes profundidades. Por tanto, ya no son necesarios punzones y matrices convencionales ya

que la forma final de la pieza sólo depende de la trayectoria asignada a la herramienta y es obtenida al

sumarse localmente las deformaciones plásticas inducidas por la herramienta a lo largo de su trayectoria

sobre la chapa. De esta manera, el conformado incremental permite elaborar geometrías de pieza de

elevada complejidad.

Con esta tecnología, el nuevo producto se puede hacer en un día, desde el modelado CAD a la pieza

terminada.

16 Conformado incremental de chapa

2.1. Tipos de conformado incremental

Las técnicas de conformado de chapa incremental (ISF) se pueden dividir en dos categorías: el

conformado incremental de dos puntos (TPIF) y el conformado incremental de un solo punto (SPIF), también

conocidos como conformado negativo y positivo, respectivamente.

En el conformado incremental de dos puntos (TPIF) (figura 2.1.) la herramienta está en contacto con la

piel exterior de la geometría, por lo que se controlan las dimensiones y tolerancias de la geometría externa

de la pieza. Este proceso se llama TPIF porque tiene dos puntos de contacto entre la herramienta de

conformado y la chapa. El primer punto es donde la herramienta de conformado presiona hacia abajo en la

chapa metálica para causar una deformación plástica local. El segundo punto es un punto de contacto entre

el poste estático y la chapa cuando la herramienta presiona en la misma. Aunque el proceso utiliza una

matriz parcial, a menudo se le llama ‘conformado sin matriz’. Se puede clasificar en dos tipos: TPIF con

soporte estático y TPIF con soporte cinemático. Para TPIF con un soporte estático (figura 2.1.a), el apoyo se

coloca firmemente en la cara opuesta de la chapa (opuesta a la superficie de contacto entre herramienta y

chapa). La chapa metálica se sujeta firmemente en un marco que puede moverse hacia arriba y hacia abajo

en dirección paralela a la herramienta. Para TPIF con un soporte cinemático (figura 2.1.b), el apoyo se mueve

simultáneamente con la herramienta de conformado. La mesa giratoria tiene una matriz parcial que tiene la

forma del producto final. Este sistema tiene el inconveniente de que sólo es adecuado para productos de

simetría rotacional.

(a)

(b)

(c)

(d)

(e) (f)

(g)

(a) (b)

Figura 2.1. (a) Conformado incremental de dos puntos (TPIF), (b) TIPF con el apoyo cinemático (OTEA, 2012)

En el conformado incremental de un solo punto (SPIF) (figura 2.2.) la herramienta está en contacto con

la piel interior de la geometría. En este proceso se controlan las dimensiones y tolerancias de la geometría

interior de la pieza. En este caso la herramienta va penetrando en la geometría que se va generando

progresivamente. Este es el proceso del que se va a hablar y que se va a utilizar a lo largo de este proyecto.

17



Figura 2.2. Conformado incremental de un solo punto (OTEA, 2012)

El conformado incremental de un solo punto (SPIF) se puede realizar utilizando una máquina diseñada

específicamente para el proceso o una máquina de mecanizado CNC de tres ejes diseñada para otros

procesos, como por ejemplo en una fresadora convencional. Varios institutos de investigación están

empezando a aplicar también el uso de robots industriales. Algunos ejemplos se pueden ver en las siguientes

figuras.

(a) (b)

Figura 2.3. (a) Máquina diseñada específicamente para SPIF (J. Jeswiet et al., 2005), (b) Fresadora convecional

mejorada para ser utilizada en ISF(J. Jeswiet et al., 2005)


Figura 2.4. Robot industrial utilizado para ISF instalado por Tecnalia en el PFT Hérault (Francia)

2.2. Ventajas y limitaciones frente al conformado tradicional

La velocidad de producción de este nuevo proceso no es tan alta como la de los ya existentes; sin

embargo, las ventajas que ofrece, como la alta flexibilidad, el bajo coste de las herramientas y el alto grado

de deformación alcanzado en el estado de deformación plana lo hace rentable para la fabricación de

pequeños lotes y piezas únicas para varias aplicaciones. Se pueden citar las siguientes ventajas concretas:

Rapid prototyping: utilizando SPIF resulta un proceso económico. Permite la fabricación rápida y

directa de piezas de chapa de perfil complicado directamente desde el archivo de CAD.

Este método produce grandes regiones con una deformación homogénea y evita los gradientes de

tensión y de deformación.

La naturaleza incremental del proceso y la pequeña zona plástica contribuye a aumentar la

capacidad de conformado del material.

Es capaz de fabricar componentes irregulares y productos médicos muy personalizados. El tamaño

de las piezas solo está limitado por el tamaño de la máquina.

Los cambios de diseño y/o tamaño se pueden realizar con facilidad y rapidez, permitiendo un alto

grado de flexibilidad.

Se puede realizar en una máquina convencional de fresado CNC o de torno.

19



Reduce de forma radical los esfuerzos y costes de los utillajes en comparación con los procesos

tradicionales de transformación de chapa. Además el almacenamiento de moldes constituye un

problema, especialmente en industrias como la del automóvil ya que las piezas son grandes y el ciclo

de vida del producto relativamente largo, desarrollándose continuamente nuevos modelos.

Permite la reducción del espesor de chapa de forma local.

Se puede lograr una buena calidad en el acabado de la superficie de la pieza.

Se puede trabajar con o sin herramienta de soporte dependiendo de la complejidad de las piezas y la

exactitud dimensional deseada. La herramienta de soporte se puede fabricar a base de materiales de

bajo coste (plásticos, madera, por fundición o combinación de ellos).

La operación es tranquila y relativamente libre de ruido.

Debido a todas sus ventajas el proceso SPIF representa una potente alternativa en la industria del

conformado de metales.

Sin embargo, aun teniendo en cuenta todas estas ventajas, sigue siendo un proceso que necesita ser

estudiado con mayor detenimiento. Existen varios estudios relacionados con este tipo de procesos, pero aún

no se ha alcanzado su completo entendimiento.

Entre las limitaciones de este proceso se encuentran las siguientes:

La principal desventaja es el tiempo de conformado de la pieza que es mayor que en los procesos

convencionales. Como resultado, el proceso se limita a la producción de series pequeñas y piezas

únicas.

La formación de ángulos rectos no se puede hacer en un solo paso, sino que requiere de estrategias

de multipasada.

Se produce recuperación elásticas, sin embargo, se están desarrollando algoritmos para hacer frente

a este problema.

2.3. Aplicaciones industriales

Los procesos de conformado incremental son de gran utilidad para la producción de productos en lotes

pequeños y para aplicaciones en las que el producto tiene que ser único. Los procesos SPIF no deben ser

considerados como un sustituto para los métodos convencionales, sino que debe ser considerado un

suplemento, ya que es un proceso lo suficientemente flexible para adaptarse a diferentes geometrías,

materiales y condiciones.

Las aplicaciones más importantes del SPIF se encuentran en los sectores aeronáutico, de automoción,

biomédico, arquitectónico y ornamental y en la industria de los electrodomésticos.


Sector aeronáutico:

Las tecnologías empleadas en el sector aeronáutico para producir componentes de chapa

metálica, en especial los realizados con materiales termorresistentes (aleaciones de titanio y de

base níquel), están basadas en el empleo de utillajes específicos particularmente costosos y con

plazos de entrega muy largos. En este caso también, el conformado incremental cuenta con las

características necesarias para obtener prototipos previos sin necesidad de estos utillajes

específicos. Con ello sería posible agilizar los test de validación de los diseños y minimizar las

frecuentes iteraciones entre las fases de diseño e industrialización, evitando así la modificación

de utillajes que penaliza costes y plazos. Más aún, el proceso puede ser también una tecnología

de utilidad para fabricar piezas sueltas de modelos de avión más antiguos o series con ratios de

producción muy bajos.

Un ejemplo de aplicación en este sector es el proyecto INMA liderado por Tecnalia,

financiado por el FP7 de la UE, orientado al desarrollo y aplicación del conformado incremental

para el sector aeronáutico, con la colaboración de Airbus Francia y WSK Rzeszów (Grupo Pratt &

Whitney Canada) como potenciales usuarios finales de la tecnología. Una de las actividades del

proyecto ha sido la fabricación de piezas demostrador de la tecnología para el sector. En la

figura 2.5. se muestra una pieza realizada en Inconel 718. Se trata de un subcomponente de un

arriostramiento ubicado en la parte baja del motor.

Figura 2.5. Demostrador de la tecnología SPIF realizado en Inconel 718 . Subcomponente de un

arriostramiento de la parte baja del motor de una aeronave (Tecnalia, 2014)

21



El conformado incremental también permite abordar la fabricación de los componentes de

tubo con geometrías más complejas como la mostrada en la figura 2.6.

Figura 2.6. Mitad de un conector en T fabricado en inoxidable AISI 347 (Tecnalia, 2014)

Sector de automoción:

En el sector de automoción el proceso de conformado incremental supone una solución a la

hora de no necesitar moldes, ya que en este sector las piezas son grandes y el ciclo de vida del

producto relativamente largo. Además la gran flexibilidad que proporciona este proceso también es

un beneficio ya que están desarrollándose continuamente nuevos modelos. Como ejemplo, se

puede mencionar que Honda produjo un prototipo de vehículo (Honda Fit HB7) con capó y

guardabarros fabricados por ISF.

A continuación se pueden observar algunos productos realizados mediante conformado

incremental.

Figura 2.7. Superficies reflexivas para

faros (J. Jeswiet et al., 2001)

Figura 2.8. Escudo térmico/vibraciones

(J. Jeswiet et al., 2001)


Figura 2.9. Cubierta silenciadora para camiones (M. Skjoedt et al., 2008)

Figura 2.10. Modelo a escala 1/8 de la sección frontal de un tren bala (Shinkansen) (Animo et

al., 2002)

Sector biomédico:

En el área de la medicina representa uno de los casos que requieren alta personalización,

con el fin de garantizar el mejor rendimiento permisible del producto, lo cuales son

comúnmente fabricados según las necesidades de cada paciente. Un ejemplo de ello es en el

área de la medicina ortopédica. En esta rama de la medicina las lesiones causadas por fracturas,

luxaciones, subluxaciones o esguinces en miembros inferiores son comunes. En estos casos es

común el uso de prótesis de manera temporal fijadas externamente y que no sustituyen partes

del cuerpo. Pero hay situaciones en que si son utilizadas de forma permanente y su función es la

de sustituir partes del cuerpo perdidas por amputaciones de miembros (manos, brazos, piernas)

o destrucción de partes óseas de cráneo, complicaciones que ocurren con frecuencia en

accidentes.

En cualquiera de los ejemplos descritos anteriormente, la finalidad del proceso SPIF, es

generar piezas que se adecuen perfectamente a cada paciente, considerando las diferencias que

puedan existir entre ellos, por lo que cada pieza es única. Además el proceso de fabricación de la

prótesis debe ser rápido y tener bajos costos según la urgencia del problema médico, para su

aplicación a un mayor número de personas.

En la figura 2.11. se observa un ejemplo de la fabricación de un soporte en el tobillo que se

hace a partir de la ‘geometría’ del paciente. Se ha implementado un enfoque de ingeniería

inversa con el fin de fabricar el soporte directamente a partir de la forma del tobillo del

paciente, asegurando así la mejor correspondencia entre el soporte obtenido y el cuerpo del

paciente.

23



Figura 2.11. Sketch 3D de la trayectoria de la herramienta (G. Ambrogio et al., 2005)

Ejemplos similares se pueden encontrar en otras áreas de la medicina como la neurocirugía

o la estomatología tal como se muestra en las siguientes figuras.

.

(a) (b) Figura 2.12. Aplicación del conformado incremental en medicina. (a) Prótesis craneal

(Duflou et al., 2006) (b) Prótesis dental (Tanaka et al., 2005)

En el sector biomédico, además, el microconformado incremental adquiere un mayor

protagonismo puesto que en este sector se observa una mayor tendencia a la miniaturización.

Fabricación de envolventes arquitectónicas y elementos ornamentales:

El empleo de envolventes arquitectónicas de diseño innovador tanto por motivos estéticos

como de funcionalidad (acondicionamiento térmico del edificio, renovación de la fachada…) es

una opción cada vez más recurrente en construcción. La mayoría de las veces la envolvente es

exclusiva para cada edificio y se compone de multitud de elementos que presentan diseños muy

variados o incluso únicos. Por tanto, el conformado incremental puede ser una tecnología muy

apropiada para las envolventes que presentan elementos de chapa. La figura 2.13. muestra un

ejemplo de envolvente metálica realizada mediante conformado incremental en colaboración

con Alfa Arte.


Figura 2.13. Envolvente metálica de 2000 x 1000 mm fabricada por Tecnalia (2014)

Además de las envolventes, el conformado incremental puede ser también de utilidad en el

sector de la construcción para fabricar elementos ornamentales tanto de exteriores como de

interiores, debido a la alta demanda de personalización de sus productos (muebles, decoración,...).

Las siguientes figuras muestran unos ejemplos de este tipo de aplicaciones.

Figura 2.14. Bola de navidad para un parque realizada por Tecnalia en colaboración con Alfa Arte (2014)

25



Figura 2.15. Baldosa para una bodega fabricada por Tecnalia (2014)

Figura 2.16. Panel decorativo de acero y A1050 de espesor 1mm (Fatronik, 2006)

Industria de los electrodomésticos:

La aplicación del conformado incremental en la industria de los electrodomésticos permite

validar mejor los diseños, acortando la fase de diseño y evitando cambios de última hora

(modificaciones en las matrices una vez que su fabricación ha sido lanzada o incluso finalizada)

lo cual repercutirá positivamente en los costes y plazos de entrega del producto.

Hoy en día los prototipos que se realizan en el sector son aproximaciones geométricas

obtenidas a partir de retales cortados y soldados. Con el estado actual del conformado

incremental es también posible abordar una reproducción aproximada de la geometría de

muchos de los componentes de este sector. Sin embargo, hay que tener en cuenta que la

obtención de algunos detalles geométricos frecuentes en los componentes, tales como

pequeños radios de acuerdo, pestañas para el montaje o rebajes de poca profundidad para

alojar logos no es aún evidente. Si se desea acelerar la fase de diseño y eliminar la necesidad de


modificaciones una vez lanzada la industrialización del componente es necesario que el

prototipo reproduzca fielmente la geometría de diseño. Es necesario desarrollar herramientas y

trayectorias de conformado específicas con las que sea posible reproducir los diferentes detalles

geométricos de los productos. Una vez desarrolladas las herramientas y las trayectorias

específicas es posible combinarlas entre sí, junto con herramientas y trayectorias estándar para

producir prototipos con la geometría deseada. La figura 2.17. muestra una pieza demostrador

de un componente de la puerta de una lavadora industrial. El demostrador incluye a escala real

todos los detalles geométricos del componente (radios de acuerdo de 1mm, rebajes de 2mm de

profundidad, esquinas de radio 3mm).

Figura 2.17. Demostrador de un componente de puerta de lavadora fabricado por Tecnalia (2014)

2.4. Parámetros importantes de conformado

Los parámetros que son fundamentales en el proceso de conformado incremental y que tienen una

repercusión directa en el resultado final, así como sus respectivas influencias en diferentes efectos

observados, son los siguientes.

2.4.1. Material de la chapa

La conformabilidad de cada material es diferente. Un estudio realizado por Fratini et al. trata de

establecer la influencia de las propiedades del material sobre la conformabilidad. Con su

investigación, encontraron que el coeficiente de endurecimiento por deformación, que difiere en

gran medida entre los materiales, así como la interacción entre este y la fuerza, tenían una marcada

influencia en la capacidad de conformado. Generalmente, mayor coeficiente de endurecimiento

tendrá una mayor conformabilidad.

El espesor de la chapa también tiene una gran influencia sobre la capacidad de conformado del

material.

27



2.4.2. Geometría de la pieza

Con el fin de conformar con SPIF, lo primero que se tiene que hacer es generar un modelo CAD

de la pieza.

Las formas geométricas a conformar tienen un gran efecto sobre las fuerzas y el tiempo de

conformado dependiendo de la complejidad. De acuerdo con la ley de los senos, no es posible

conformar paredes verticales con este proceso, ya que daría lugar a un espesor final de chapa

cero. Varias técnicas han sido utilizadas para mejorar esta limitación incluyendo calentamiento

localizado utilizando láser y conformado con múltiples pasos. En el método de múltiples pasos

las piezas se conforman gradualmente en vez de en un solo incremento hasta que se consigue la

forma deseada. Experimentalmente, con este método se observan mayores precisiones y

conformabilidad con una mejor distribución del espesor.

2.4.3. Tamaño y forma de la herramienta conformadora

El tamaño de la herramienta afecta en gran medida tanto a la capacidad de conformado

como al acabado superficial de la pieza fabricada a través de este proceso. Los experimentos

han demostrado que las herramientas de radio más pequeño permiten una mayor

conformabilidad que los más grandes. En caso de diámetros de herramienta más grandes hay un

aumento en la cantidad de fuerzas que se forman debido al aumento del área de contacto entre

la herramienta y la chapa de metal. En caso de herramientas de pequeño diámetro hay una zona

pequeña con alta concentración de deformación resultando mejor la capacidad de conformado.

Por lo tanto, con herramientas de radio pequeño se observa una disminución de las fuerzas,

alcanzándose tensiones más bajas. En la superficie de contacto con la punta de la herramienta el

calentamiento por fricción es muy localizado y alto en magnitud, lo cual permite que el material

fluya fácilmente aumentando así la capacidad de conformado.

2.4.4. Trayectoria de la herramienta conformadora

El recorrido que sigue la herramienta es un factor muy importante ya que con este se determina

el resultado final de la pieza.

El modelo CAD generado se utiliza para la elaboración de las trayectorias de la herramienta

utilizando un software CAM. En este proyecto tanto el modelado como las trayectorias en código

APT se han obtenido mediante CATIA V5, y posteriormente se ha realizado el post-procesado

mediante WinPost del código APT a código ISO. Este paquete se utiliza generalmente para la

eliminación de material en el fresado y es perfecto para SPIF porque el algoritmo de generación de la

trayectoria incorporado puede ser usado para guiar la herramienta de conformado.


La trayectoria que sigue la herramienta se basa en dividir un número n de planos que serán

recorridos por la herramienta de trabajo con una profundidad específica (paso vertical, Δz), cada vez

que termine su recorrido anterior, con el fin de lograr una rugosidad superficial menor. En esta etapa

se define la entrada, las trayectorias que realizará la herramienta en los tres ejes de posicionamiento

y la salida, al finalizar el conformado de la pieza.

Figura 2.18. Contorno de la trayectoria de la herramienta en un cono truncado (Flores et al., 2007)

2.4.5. Profundidad de penetración entre pasadas

El tamaño de paso vertical (profundidad axial, Δz) es la profundidad que baja la herramienta

en el eje Z en cada una de las pasadas. La influencia del tamaño de paso en la capacidad de

conformación en el proceso SPIF es todavía un parámetro discutible. Algunos investigadores

sostienen que el tamaño de paso no influye en la capacidad de conformado, sino que sólo afecta

a la rugosidad superficial. Mientras que otros creen que aumentando el tamaño del paso hay

una disminución en la capacidad de conformado. En un estudio de Ham et al., se demostró que

el tamaño de paso tiene una influencia insignificante sobre la capacidad de conformado.

También se ha observado que el tamaño de paso no sólo afecta a las rugosidades de la

superficie exterior e interior, sino que también tiene un efecto sobre la duración del

conformado. Los tamaños de paso pequeños requieren más tiempo para conformar piezas, ya

que son necesarias más trayectorias en el plano z.

Dos ejemplos de la influencia del tamaño de paso sobre la rugosidad superficial se

encuentran en las siguientes figuras.

29



(a) (b)

Figura 2.19. (a) Ejemplo de cómo se produce la rugosidad superficial debido al tamaño de paso, Δz,

(J. Jeswiet et al., 2005), (b) Rugosidad de la superficie 3D para cuatro tamaños de paso, Δz,. Estos perfiles

fueron obtenidos mediante interferometría de luz blanca. El diámetro de la herramienta usada es de

12,5 mm, (J. Jeswiet et al., 2005)

2.4.6. Velocidad de conformado

La influencia de la velocidad de conformado, tanto la velocidad de rotación del cabezal

(RPM) como la velocidad de avance son importantes con respecto al proceso SPIF. El

movimiento relativo entre la herramienta y la chapa es directamente proporcional al calor que

se genera por la fricción. Esto tiene varios efectos negativos que incluyen una mayor rugosidad

de la superficie, el aumento del desgaste de las herramientas, y la ruptura de la película

lubricante. Conformar a velocidades de rotación muy elevadas aumenta la probabilidad de

desarrollar marcas en la chapa por la vibración de la herramienta.

2.4.7. Ángulo de conformado

El ángulo que las paredes laterales de una pieza forman con el plano xy horizontal se conoce

como ángulo de conformado (Ø). La medida de este ángulo estará determinada principalmente

por las propiedades del material y por el espesor de la chapa. En el conformado de una pieza

mediante un proceso SPIF existe un ángulo máximo (Ømáx) al que se puede someter un material

antes de un fallo, por lo que el ángulo de diseño de la pieza tiene que ser menor que este Ømáx,

el cual es una característica del material. Conociendo el ángulo Ømáx de un material para un

espesor específico, un diseñador puede decidir si una pieza se puede hacer en un solo paso sin

que se rompa o si se debe usar una secuencia de dos pasos o de paso múltiple.


Figura 2.20. Ángulo de conformado (Ø) en SPIF (J. Jeswiet et al., 2005)

2.4.8. Lubricación

Las investigaciones sobre la influencia de la lubricación en el proceso SPIF han sido

limitadas. La lubricación se utiliza como un medio de reducción de la fricción y del desgaste de la

herramienta y para mejorar la calidad de la superficie. Aunque en un proceso relativamente

lento en relación con el mecanizado o fresado, el desgaste de la herramienta no es una de las

principales preocupaciones.

2.5. Líneas de investigación relevantes

En este proyecto se ha intentado obtener mayor información sobre el proceso de conformado

incremental y se ha trabajado con algunas conclusiones y formulaciones obtenidas por estudios análogos

anteriores.

Algunos investigadores han centrado sus trabajos en la precisión geométrica de la parte deformada y la

calidad superficial en el proceso SPIF, concluyendo que la precisión geométrica parece ser más baja que la de

los procesos de conformado convencionales. La calidad superficial está influenciada principalmente por los

parámetros de procesamiento, tales como paso de profundidad y velocidad de avance. Estos parámetros

tienen una estrecha relación con la viabilidad del proceso SPIF en aplicaciones industriales. Las limitaciones

anteriores se han resuelto para que el proceso se convierta en un potencial para aplicaciones industriales. Las

investigaciones al respecto proponen una estrategia de conformado en varias etapas para superar la

limitación del ángulo de pared. Se utilizan algoritmos compensatorios en tecnologías de programación CNC

para superar la limitación de la precisión geométrica y se puede superar esta limitación con la aplicación de

un algoritmo iterativo de corrección de la trayectoria de la herramienta basado en el error geométrico.

Además, utilizando un soporte para la chapa se reduce el efecto de recuperación elástica (springback) en la

pieza conformada.

31



El estudio de la influencia del salto en profundidad (Δz) y del ángulo de inclinación de la pared en el

proceso SPIF ha sido estudiado por J. Jeswiet, F. Micari, G. Hirt, A. Bramley, J. Duflou y J. Allwood. Según este

estudio, un mayor salto en profundidad produce una mayor rugosidad y un efecto de piel de naranja en la

superficie de la pieza. En cuanto al ángulo de inclinación de la pared se ha determinado que existe un valor

límite en el máximo ángulo de inclinación que puede obtenerse de una sola pasada. También se ha

observado una gran dependencia entre el ángulo de inclinación de la pared y el espesor de la chapa,

produciéndose una distribución no homogénea del espesor cuando el ángulo de inclinación de la pared se

acerca a su valor máximo.

E. Hagan y J. Jeswiet han estudiado el cambio en las propiedades del material para el aluminio 3003

después de haber sufrido un proceso de conformado incremental controlado por una máquina de control

numérico mediante una serie de ensayos de tensión. Los resultados obtenidos en este estudio han permitido

obtener una relación mediante la cual se observa un aumento del límite elástico (σy) y del valor de la tensión

en el punto de estricción para mayores valores del ángulo de inclinación de la pared. También se ha

observado como el valor de la deformación en el punto de estricción disminuye linealmente al aumentar el

ángulo de inclinación de la pared, dando lugar a un endurecimiento por deformación del material.

Finalmente, se ha determinado una ecuación Hollomon para el Al3003 válida en todo el rango de

deformación.

L. Fillice, L. Fratini y F. Micari realizaron un estudio del grado de deformación en un proceso de

conformado incremental y se han desarrollado ensayos cuyo objetivo ha sido alcanzar distintas condiciones

de deformación en el material y, consecuentemente, determinar las curvas límite de conformado para

progresivas operaciones de deformación. Las conclusiones obtenidas han sido que los procesos de

conformado incremental se caracterizan por mecanismos de deformación local que dan lugar a curvas de

conformado que se diferencian de las tradicionales. También se indica la posibilidad de hacer uso de este

tipo de diagramas como la herramienta CAE (computer aided engineering o ingeniería asistida por

ordenador) para diseñar procesos de conformado industrial.

G. Hussain, L. Gao y N. U. Dar han realizado dos ensayos para evaluar el grado de deformación de

planchas de aluminio en un proceso de conformado incremental negativo. En el primer ensayo, una

colección de conos y pirámides fue obtenida variando el ángulo de inclinación de la pared progresivamente a

pequeños incrementos hasta obtener el ángulo de pared máximo sin rotura (αmáx). En el segundo ensayo se

fabricaron pirámides con un valor del ángulo de inclinación de pared variable y se llevaron hasta la rotura. Lo

primero que fue observado es que, en el primer ensayo, algunas de las piezas que tenían lados angulosos

rompieron por esa zona, lo que demostró que las regiones angulosas sufrían una mayor deformación que los

lados rectos para la misma trayectoria de la herramienta. La siguiente observación fue que los valores del

grado de deformación obtenidos en el segundo ensayo eran mayores que los resultados obtenidos en el

primer ensayo debido a que en el segundo ensayo el ángulo de la pared era variable, mientras que en el

primer ensayo el ángulo de la pared era constante.

P. Eyckens, A. Van Bael y P. Van Houtte fueron los primeros en incluir el término de deformación

tangencial en el modelo. Según este artículo, la aparición de la deformación tangencial contribuye al mayor

grado de deformación obtenido en SPIF.

J. Jeswiet, F. Micari, G. Hirt, A. Bramley, J. Duflou y J. Allwood han realizado un estudio sobre el

conformado incremental asimétrico que, según sus autores, tiene el potencial para revolucionar la industria


del conformado del metal, puesto que puede alcanzar todos los niveles de fabricación. Se pueden obtener

formas complicadas de una manera muy simple. Existen dos variantes de este proceso, una en la que sólo se

utiliza una herramienta para todo el proceso de conformado y otra en la que se utilizan dos herramientas de

las cuales una es total o parcialmente un punzón.

2.6. Conformabilidad de chapa metálica

La conformabilidad de una chapa metálica puede ser definida como la habilidad que tiene el metal para

deformarse hasta la forma deseada sin producirse la fractura o la reducción excesiva del espesor por

estricción.

El estudio de la conformabilidad de la chapa metálica es muy importante, ya que el fallo del material

inutiliza el proceso.

2.6.1. Modos principales de fallo

En el conformado de materiales metálicos se pueden producir varios modos de fallo del

material. Los más típicos son la estricción y la fractura. La primera es una inestabilidad plástica del

material que ocurre en un cierto instante a partir del cual toda la deformación queda concentrada en

una pequeña región del material llamado cuello o estricción, quedando el resto del material

prácticamente sin deformarse. El modo de fallo por fractura se inicia con la aparición de una grieta

que se propaga rápidamente provocando la rotura de la pieza.

En el caso de chapas metálicas se pueden producir dos tipos de estricción: difusa y localizada. La

figura 2.21. (izquierda) muestra el fallo por estricción difusa en un ensayo de tracción de chapa: el

cuello formado se produce por una reducción tanto del ancho de la chapa como del espesor. La

figura 2.21. (derecha) muestra la aparición de una estricción localizada después de producirse la

estricción difusa: la deformación se concentra a lo largo de una línea en la que solo se reduce el

espesor de la chapa. En la práctica del conformado de chapa es usual que el fallo se produzca, no por

estricción difusa, sino directamente por estricción localizada. En cualquier caso, ambos modos de

estricción ocasionan un adelgazamiento progresivo e inestable del material hasta provocar la

fractura.

33



Figura 2.21. Representación de la estricción difusa (izquierda) y localizada (derecha) (William F. Hosford et al., 2007)

La fractura puede ser frágil o dúctil, dependiendo del material. La fractura frágil (figura 2.22.(a))

tiene lugar sin una apreciable deformación del material, produciéndose una rápida propagación de la

grieta. La fractura dúctil (figura 2.22.(b)) ocurre tras producirse una intensa deformación plástica y se

caracteriza por una lenta propagación de una grieta. En los procesos de conformado de chapa se

usan materiales dúctiles de manera que se produce fractura dúctil, generalmente precedida por una

estricción localizada.

Figura 2.22. (a) Fractura frágil, (b) Fractura dúctil

2.6.2. Diagramas límite de conformado (DLC)

El concepto de ‘Diagrama Límite de Conformado’ (DLC, en inglés Forming Limit Diagram, FLD)

fue introducido por Keeler y Backofen a principios de 1963, los cuales mostraron su existencia

mediante un estudio del fallo producido en chapas estiradas biaxialmente. El principal

descubrimiento era que la deformación principal mayor antes de cualquier estricción localizada en

una chapa aumentaba con el aumento del grado de biaxialidad. Los ensayos incluían chapas de

acero, cobre, latón y aluminio estiradas mediante un punzón. Posteriormente, Keeler encontró que


las propiedades de los materiales tienen un gran efecto en la distribución de la deformación en el

estirado biaxial de una chapa. Señaló que cuando el coeficiente de endurecimiento (n) es alto, la

distribución de deformaciones será relativamente homogénea. Por el contrario, materiales con

coeficiente de endurecimiento bajo desarrollan un gran gradiente de deformación y esta se

concentra en una pequeña región, causando un fallo prematuro. Construyó un mapa de

deformaciones principales (ε1, ε2) en el que separaba los estados de deformación seguros de los

estados de deformación que podían producir un fallo prematuro. Por definición, ε1 es la deformación

principal mayor y ε2 es la deformación principal menor. G.M. Goodwin completó la idea

investigando la zona de deformaciones tracción-compresión, aunque su criterio de fallo fue la

aparición de la fractura. Esto tuvo un impacto significativo al presentar una metodología de cómo

determinar la deformación máxima que un material puede desarrollar durante un proceso de

conformado.

Los DLC son una representación gráfica de los límites de las deformaciones unitarias principales

donde puede surgir el fallo en deformación plástica durante un proceso de conformado. Es decir,

muestran la deformación máxima que puede ser obtenida por una lámina antes del inicio de la

estricción localizada para diferentes caminos de deformación. Su uso está ampliamente generalizado

como criterio de fallo en la fabricación de componentes mediante conformado.

Es común utilizar un parámetro β (β = ε2/ε1) para caracterizar las condiciones de deformación en

un proceso de conformado de chapa. La figura 2.23 muestra una representación general de este tipo

de diagramas, como puede observarse los DLC normalmente presentan una curva en forma de V,

denominada curva límite de conformado (CLC, en inglés Forming Limit Curve, FLC). En la parte

izquierda del diagrama (β<0), las deformaciones en las dos direcciones del plano de la chapa tienen

sentido opuesto, una es negativa y otra es positiva y abarca todos los estados desde un ensayo de

tensión hasta el estado de deformación plana, que es cuando uno de los dos valores de deformación

es cero (β=0). En el lado derecho (β>0), ambas deformaciones son positivas y reúne todos los

estados posibles que van desde el estado de deformación plana hasta el estado de estirado biaxial.

Figura.2.23. Diagrama límite de conformado, mostrando la región de conformado segura y de fallo

35



La CLC define la zona del diagrama bajo la cual las deformaciones no generan rotura del material

(área de trabajo segura). Así, la combinación de deformaciones ε1-ε2 que quedan bajo la curva se

realizan sin que el material llegue al límite de deformación, mientras que si esta combinación da un

punto por encima de esta curva, probablemente dicha combinación de deformaciones sí que llegará

a romper el material. Cuando los puntos se aproximan mucho a la curva, existe el riesgo de estricción

localizada. Los diagramas límite de conformado son considerados como una propiedad del material,

no obstante, no caracterizan completamente el comportamiento del material cuando este se

deforma, ya que a éste también le afectan otros parámetros de la operación de conformado como

pueden ser las condiciones de los útiles o la lubricación.

Los DLC normalmente muestran únicamente la curva debida al fallo por estricción localizada en

forma de V que se ha comentado anteriormente. No obstante, se puede añadir una segunda curva

límite de conformado por fractura (en inglés Fracture Forming Limit, FFL), que queda por encima de

la CLC por estricción, ya que la estricción precede a la fractura. Normalmente esta curva tiene una

forma lineal decreciente, como se puede ver en la figura 2.24.

Figura 2.24. Curvas límite de conformado por estricción localizada y por fractura (Dorel Banabic, 2010)

En los procesos de conformado incremental se consiguen mayores deformaciones límite del

material que con los procesos convencionales. La figura 2.25. muestra, para una aleación de

aluminio, la diferencia de la CLC experimental obtenida por métodos convencionales (en el que el

fallo se produjo por estricción) y mediante un conformado incremental (donde ahora el fallo se

produjo por fractura sin estricción previa). Esta diferencia se debe a la peculiaridad de los procesos

mecánicos que ocurren durante el conformado incremental. En este proceso la deformación plástica

inducida por la herramienta es muy localizada y está confinada en la zona de contacto, y va

progresando incrementalmente con el movimiento de la herramienta según la trayectoria asignada.


Como consecuencia, se alcanzan mayores deformaciones en el material antes de que se produzca la

fractura de éste.

Figura 2.25. Curvas de conformado convencional y de conformado incremental para el AA1050-O

(J. Jeswiet et al., 2005)

2.6.2. Métodos experimentales de obtención de las curvas CLC

La determinación experimental del diagrama límite de conformado es muy delicada y necesita

de un número elevado de ensayos. Esto es debido a que los campos de esfuerzos y de

deformaciones son tan diversos durante un proceso de conformado que un solo ensayo no sirve

para predecir la conformabilidad de los materiales en todas las situaciones. Realizando diferentes

tipos de ensayos se consiguen diferentes condiciones de deformación que aportan puntos al mayor

número posible de zonas del diagrama.

La conformabilidad puede ser explorada a partir de diversos parámetros que se obtienen del

ensayo de tracción estándar (alargamiento hasta la fractura, coeficiente de endurecimiento por

deformación, relación de deformación plástica y otros), pero no son suficientes, ya que, la

conformabilidad depende de la habilidad del metal para distribuir la deformación por toda la

superficie de la lámina.

Otros ensayos, para estimar la conformabilidad, fueron diseñados para simular condiciones

comúnmente encontradas en procesos industriales de deformación mecánica, como el estado de

esfuerzos biaxiales.

La norma ISO12004:2008 recomienda, para la determinación del diagrama límite de

conformado, la utilización del método de estirado mediante punzón semiesférico, Nakazima, y del

método de estirado mediante punzón plano, Marciniak. En las figuras 2.23. y 2.24. se observan los

esquemas de dichos ensayos.

37



Figura 2.23. Esquema útil tipo Nakazima

Figura 2.24. Esquema útil tipo Marciniak

Para el ensayo Marciniak es necesario el uso de una prensachapa para tener una distribución

homogénea de deformaciones entre el material a ensayar y el punzón, dicha prensachapa debe

tener una mayor grado de embutición o de deformación que el material a ensayar. En el ensayo

Nakazima se coloca una capa o varias capas de lubricante para minimizar el efecto de fricción entre

el punzón y el material a ensayar, dicha lubricación se coloca también entre la contrachapa y el

punzón en el ensayo Marciniak.

Una vez realizados los ensayos pertinentes, la caracterización experimental de las curvas límite

de conformado se realiza mediante la medición de la deformación en la zona de fallo, para ello se

pueden usar patrones de círculos y/o medir el espesor directamente.

Durante el proceso de conformado, el material puede adelgazarse o incluso aumentar de

espesor en determinadas zonas. En lugar de medir dicho adelgazamiento directamente, éste se

puede determinar a través de una malla aplicada sobre la superficie de la chapa, considerando que

durante la deformación, el volumen se mantendrá constante. De este modo, midiendo las

deformaciones ε1 y ε2 en cada punto del plano de la chapa utilizando las elipses marcadas, se

determinan las curvas CLC y EFL (curva límite de conformado ingenieril, del inglés Engineering

Forming Limit).

La curva límite de conformado por fractura (en inglés FFL) se obtiene de ensayos Nakazima al

igual que las curvas CLC (FLC en inglés) y EFL, pero midiendo directamente el espesor de la chapa en

la grieta producida.

39

CAPÍTULO 3 SET-UP EXPERIMENTAL

Para la realización del conformado incremental de un solo punto (SPIF) son necesarios cuatro elementos

básicos:

1) Una chapa de metal,

2) Un sistema de sujeción de la chapa,

3) Una herramienta con punta semiésferica,

4) Un centro de mecanizado CNC.

En este capítulo se va a realizar una descripción de los elementos utilizados para la realización de este

proyecto.

4.1. Chapa de metal

El material que se va a utilizar es una aleación de aluminio AA7075-O de 1.6 mm de espesor, cuya

composición química se muestra en la tabla 3.1. La letra O de la designación, señala que el material fue

sometido a un estado de recocido.

Elemento Zinc Magnesio Cobre Silicio Hierro Manganeso Cromo Titanio

Mínimo (%) 5.1 2.1 1.2 - - - 0.18 -

Máximo (%) 6.1 2.9 2.0 0.4 0.5 0.3 0.28 0.2

Tabla 3.1. Composición química del AA7075

Las aleaciones de aluminio serie 7XXX son utilizadas ampliamente debido a sus propiedades, tales como

baja densidad, alta resistencia, dureza, ductilidad, tenacidad y resistencia a fatiga. Asimismo, es fácil de

mecanizar, pero no es recomendable para soldadura y tiene menos resistencia a la corrosión que otras

aleaciones. El aluminio 7075 tiene una elevado ratio resistencia-densidad, por lo que frecuentemente se

utiliza en aplicaciones para la industria aeronáutica, la industria del automóvil o la industria naval. Además,

40 Set-up experimental

las condiciones de recocido, O, proporcionan una mayor capacidad de conformado.

Con el fin de conocer qué áreas son seguras para el conformado durante el procedimiento experimental

se ha utilizado el diagrama límite de conformado característico del AA7075-O de 1.6 mm de espesor, que se

muestra en la figura 3.1. En esta figura se observan las tres curvas comentadas en el capítulo anterior de los

diferentes modos de fallo: la curva límite de conformado por estricción (en inglés Forming Limit Curve at

necking, FLC at necking), la curva límite de conformado ingenieril (en inglés Engineering Forming Limit, EFL) y

la curva límite de conformado por fractura (en inglés Fracture Forming Limit, FFL).

Figura 3.1. Diagrama límite de conformado del AA7075-O de 1.6 mm de espesor obtenido mediante el método de

Nakazima (basado en A.J. Martínez-Donaire)

4.2. Sistema de sujeción de la chapa

Durante el proceso de conformado incremental de un solo punto se utiliza un sistema de sujeción para

mantener la chapa rígida, sin moverse, y lograr así una alta precisión, aplicando las tensiones mucho más

localizadas para deformar la chapa. Una configuración básica se puede ver en la figura 3.2. Esta plataforma

va montada en la mesa de trabajo del centro de mecanizado CNC.

41



Figura 3.2. Configuración general del sistema de sujeción empleado en SPIF (basado en J.R. Duflou et al., 2007)

En la figura 3.3. se muestra el sistema de sujeción utilizado, montado sobre la mesa de trabajo del centro

de mecanizado EMCO VMC-200.

Figura 3.3. Sistema de sujeción utilizado montado sobre la mesa de trabajo del centro de mecanizado EMCO VMC-200


El sistema de sujeción está compuesto por el bastidor estático, formado por una base inferior y cuatro

pilares, el cual está sujeto a la mesa de trabajo del centro de mecanizado EMCO VMC-200, una brida superior

y una brida inferior.

(a) (b)

Figura 3.4. (a) Bastidor estático, (b) Brida superior

La brida inferior y superior están sujetas entre sí mediante ocho tornillos, cuatro tuercas y cuatro

arandelas. La chapa de aluminio que se va a deformar se coloca en medio de las dos bridas impidiendo así

que se mueva durante todo el proceso. Las chapas de trabajo para la realización del proceso de conformado

tienen que tener una medida máxima de 170 x 170 mm2 para poder ser montadas en el dispositivo de

sujeción.

La brida inferior se utiliza como placa de apoyo para restringir el movimiento de la chapa en las zonas

donde no se está realizando el proceso de conformado y reducir así la recuperación elástica del material. De

acuerdo con las características de las piezas que se quieren conformar se han diseñado dos bridas inferiores

diferentes: una con un hueco circular de diámetro 100 mm y otra con un hueco cuadrado de 100 x 100 mm2,

como se observa en la figura 3.5.

43



(a) (b)

Figura 3.5. Configuraciones de las bridas inferiores, (a) Brida inferior con hueco cuadrado de 100 x 100 mm2, (b) Brida inferior con hueco circular de diámetro 100 mm

4.3. Herramienta de conformado

La herramienta de conformado tiene una cabeza con forma semiesférica, como se muestra en la figura

3.6. Esto asegura un punto de contacto permanente entre la chapa y la herramienta (véase la figura 3.7.), de

manera que presiona el material deformándolo plásticamente de forma incremental.

Figura 3.6. Herramienta de conformado (J. Jeswiet et al., 2005)


Figura 3.7. Punto de contacto entre la herramienta y la pieza de trabajo (J. Jeswiet et al., 2005)

El diámetro de la cabeza semiésferica de la herramienta debe ser elegido de acuerdo a la pieza a

conformar. Se utiliza una amplia gama de diámetros, desde pequeños diámetros para el microconformado,

hasta grandes diámetros para la fabricación de piezas grandes. Este factor tiene influencia sobre la calidad de

la superficie y/o el tiempo de conformado.

Para la realización experimental del proyecto se ha utilizado una herramienta de conformado con un

diámetro de 10 mm, hecha de acero de alta resistencia templado (véase figura 3.8.).

(a) (b)

Figura 3.8. (a) Herramienta de conformado utilizada, (b) Herramienta de conformado montada en el portaherramientas

45



El movimiento de la herramienta se describe generalmente en coordenadas cartesianas, con

movimiento de la herramienta en el plano horizontal de la chapa (eje X y eje Y), y movimiento en el eje Z, en

el cual se produce la deformación.

A medida que la herramienta de conformado se desplaza sobre la superficie de la pieza de trabajo

deformándola, también está girando libremente sobre sí misma, reduciendo de esta manera la fricción entre

la herramienta y la chapa. El desgaste de la herramienta o la soldadura en esta de pequeñas virutas de la

chapa puede convertirse en un factor perjudicial durante el proceso, que puede provocar un mal acabado

superficial e incluso la fractura prematura del material. Una lubricación adecuada ayuda a prevenir este

problema.

4.4. Centro de mecanizado CNC

Para este proyecto se ha utilizado el centro de mecanizado EMCO VMC-200 (véase figura 3.9.),

disponible en las instalaciones del departamento de Ingeniería Mecánica y Fabricación de la Escuela Técnica

Superior de Ingeniería de la Universidad de Sevilla.

Figura 3.9. Centro de mecanizado EMCO VMC-200 disponible en las instalaciones del departamento de Ingeniería

Mecánica y Fabricación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de la Universidad de Sevilla


El centro de mecanizado es de tipo vertical y consta de 3 ejes. Además, dispone de una torreta

portaherramientas con lógica de dirección y un tiempo de cambio de herramienta de 7.8 segundos. El

tambor tiene 12 posiciones de herramienta, de las cuales solo es necesario utilizar una para la realización del

proceso de conformado incremental. Las herramientas que se pueden utilizar tienen que tener un diámetro

máximo de 100 mm y un peso máximo de 5 Kg.

La zona de trabajo del centro de mecanizado tiene un recorrido del carro longitudinal (X) de 420 mm,

transversal (Y) de 330 mm y vertical (Z) de 400 mm, situando el punto de referencia en la esquina izquierda

más externa de la mesa de trabajo. Las dimensiones máximas de la pieza están limitadas a 400 x 300 x 190

mm3.

La mesa de trabajo tiene unas dimensiones de 650 x 325 mm2 y puede soportar una carga máxima de

150 kg. Además dispone de 3 ranuras en forma de T que permiten la cogida de los sistemas que sujetan las

piezas.

La potencia útil del centro de mecanizado es de 6.6 kW. La velocidad de giro del husillo está limitada

entre 50 y 4500 rpm, la cual es regulable en continuo, y la velocidad de avance en los ejes X, Y y Z entre 1 y

4000 mm/min, y en marcha rápida de 12 m/min. Las fuerzas máximas permisibles de avance en los ejes X e Y

son de 4000 N y en el eje Z de 6000 N.

Todos los valores anteriores están muy por encima de los necesarios para la realización de los ensayos

experimentales.

Otro factor importante durante el conformado incremental, es que permite la lubricación central

automática, la cual reduce la fricción entre la herramienta y la chapa de trabajo.

Para el control de los movimientos y operaciones del centro de mecanizado se utiliza el controlador

EMCOTRONIC TM02, ubicado en la parte derecha de la máquina (véase en la figura 3.11.). Las instrucciones

se pueden introducir de modo manual, haciendo uso de los controles de la consola, de esto modo se ha

buscado la posición cero de la que parte la herramienta para el seguimiento de las trayectorias, o en modo

automático mediante la lectura de un programa de control numérico, de este modo se han leído las

trayectorias a seguir para conformar las piezas del proyecto.

El controlador EMCOTRONIC TM02 trabaja en código ISO y acepta un máximo de 9999 líneas de

programa, lo cual ha supuesto una primera limitación a la hora de diseñar las trayectorias de las piezas a

conformar. Una segunda limitación es que los programas solo pueden ser grabados en la máquina mediante

el uso de disquetes, los cuales únicamente disponen de una memoria de 20 kB aproximadamente, por lo que

para introducir los programas de las piezas a conformar en la memoria interna del controlador ha sido

necesario dividirlos en subprogramas con tamaños inferiores o iguales a esta capacidad.

47

CAPÍTULO 4 MODELADO EN CATIA V5

El proceso de conformado incremental de un solo punto (SPIF) se puede dividir en tres fases

principalmente. El primer paso en el diseño es la creación de un dibujo CAD de la pieza. Posteriormente este

diseño CAD es exportado al módulo de mecanizado CAM, y finalmente se realiza el proceso de conformado

en el centro de mecanizado CNC.

Figura 4.1. Fases del proceso de conformado incremental

En este capítulo se van a ver las dos primeras fases del proceso de conformado, que corresponden al

modelado 3D de la pieza y para las que se ha utilizado el programa CATIA V5, el cual integra los softwares

CAD/CAM. Para comenzar se van a presentar, de manera general, las herramientas disponibles en CATIA

utilizadas para el diseño y mecanizado de las piezas. Posteriormente, se verá con mayor detalle el modelado

de las piezas que se quieren conformar. Y finalmente, se obtendrán las trayectorias de los modelos en CATIA

en código APT y se postprocesarán utilizando el programa WinPost a código ISO.

4.1. Herramientas de modelado

CATIA V5 dispone de multitud de herramientas para el diseño y mecanizado de piezas, las cuales se

organizan en módulos, enfocado cada uno de ellos en unas funciones específicas. En este proyecto se han

utilizado cinco módulos: Part design, Sheet Metal Design, Generative Shape Design, Assembly Design y

Surface Machining, los cuales se van a ver a continuación. Estos módulos se pueden clasificar en tres grupos

según su función, el modelado de las piezas por separado, el ensamblaje y el mecanizado de estas.

4.1.1. Modelado de sólidos

Para el modelado de sólidos se han utilizado los módulos Part Design, Sheet Metal Design y

Generative Shape Design, los cuales permiten crear las chapas que se quieren conformar y los

elementos necesarios para su correcta sujeción en el centro de mecanizado.

Conformado en el centro de

mecanizado CNC

Mecanizado CAM

Diseño CAD de la pieza

48 Modelado en CATIA V5

Part Design es el módulo principal de CATIA V5 para crear sólidos. Parte del diseño en dos

dimensiones de un boceto o ‘Sketch’ de una de las secciones transversales de la pieza, a partir del

cual se generan las formas tridimensionales. El módulo Part Design dispone de diferentes

herramientas que permiten diseñar la geometría deseada. Entre estas herramientas se puede

destacar la operación Pad , que permite extruir un sketch cerrado según una dirección lineal, la

operación Pocket , que permite el vaciado por extrusión de un sólido ya creado, la operación

Shaft , que permite generar sólidos mediante la revolución de un perfil previamente creado

alrededor de un eje de revolución, y la operación Hole , que sirve para crear agujeros, entre

otras. Con este módulo se han diseñado todas las piezas que componen el sistema de sujeción de la

chapa en el centro de mecanizado CNC.

El módulo Sheet Metal Design tiene un gran número de operaciones disponibles para modelar

procesos de plegado de chapa y para crear estampaciones de chapa imitando procesos

convencionales como la embutición. Para comenzar el diseño se configuran los parámetros de

espesor y radio mínimo de curvatura de la chapa con el icono ‘Sheet Metal Parameters’ y se crea

la chapa de 170 x 170 mm2 sobre la que se va a trabajar. Las operaciones de estampación,

denominadas Stamps, son las que se han usado para el modelado de las chapas, ya que permite

generar los diseños de una manera muy fácil e intuitiva, y además el resultado obtenido reproduce

exactamente las piezas a conformar. Concretamente se han utilizado dos operaciones:

La operación Circular Stamp permite el diseño rápido de las chapas con forma de cono

simplemente definiendo los parámetros que se muestran en la figura 4.2.

Figura 4.2. Ventana de configuración de la herramienta Circular Stamp de CATIA V5

49



La operación User Stamping permiten el modelado de chapas con geometrías más

complejas mediante el diseño preliminar de una matriz y un punzón con la geometría que se

quiere conseguir (véase la figura 4.3.). Esta operación simula el proceso de embutición

convencional.

Figura 4.3. Ventana de configuración de la herramienta User Stamping de CATIA V5

El módulo Generative Shape Design contiene todas las operaciones necesarias para la

generación de superficies. Este módulo se ha utilizado para la generación de las superficies de la

matriz y el punzón necesarios para el modelado de geometrías más complejas con la herramienta

User Stamping.

Para la obtención de las trayectorias de conformado no sería necesario el diseño completo de las

chapas con el módulo Sheet Metal Design, simplemente generando las superficies con el módulo

Generative Shape Design sería suficiente. Esto se debe a que a la hora de realizar el proceso de

mecanizado solo se necesita conocer la superficie interior de la chapa que es la que sigue la

herramienta de conformado. Con el uso del módulo Sheet Metal Design lo que se pretende es

obtener un resultado en el diseño más realista. Sin embargo, se ha comprobado que al involucrar

más operaciones en el diseño, a la hora de realizar el mecanizado también se introducen más

cálculos y como resultado se tiene un código de control numérico más extenso. Por lo que para

algunos diseños más complejos, al sobrepasar las limitaciones que se comentaron en el capítulo

anterior del centro de mecanizado EMCO VMC-200, se ha procedido a obtener la trayectoria

necesaria para el conformado directamente mediante el modelado de la superficie de la pieza.

4.1.2. Ensamblaje de piezas

El módulo Assembly Design se utilizada para el ensamblaje de los elementos que forman el

sistema de sujeción y la chapa. De esta manera se representan todos los elementos en la posición

real que tendrían durante el conformado. Para ello este módulo dispone de una serie de

restricciones que se le dan a cada pieza y que fijan su posición en el espacio con respecto al resto de

piezas. Las restricciones que se han utilizado son las siguientes:


Coincidence constraint: restricción de coincidencia. La función de este comando es la

alineación de piezas, haciendo coincidir los ejes de dos elementos, ya sean líneas o ejes teóricos no

visibles en 3D. Dependiendo de la selección de los elementos obtendremos concentricidad,

coaxialidad o coplanaridad.

Surface contact constraint: restricción de contacto. Esta restricción establece un

contacto entre dos superficies, caras o planos de dos elementos. La zona de contacto será un plano,

una línea o un punto.

Offset constraint: restricción de paralelismo. Establece una distancia de paralelismo

entre dos elementos, caras, planos, líneas, puntos, etc. Se necesita especificar las caras que se van a

orientar y la distancia de separación entre ellas.

Angle constraint: restricción de angularidad. Define el ángulo que forman dos

elementos, pudiendo tratarse de líneas, caras planas, cilindros o conos. Dependiendo del ángulo el

resultado puede ser de perpendicularidad (ángulo igual a cero), paralelismo (ángulo igual a 90°) o

angularidad.

Una vez se tienen definidas todas las restricciones sobre los componentes, la operación Update

permite que las piezas se desplacen a su posición final acorde a ellas.

4.1.3. Mecanizado de las piezas

El proceso de mecanizado consiste en la definición de la trayectoria de la herramienta, su

computación, su posterior verificación mediante la simulación 3D del proceso y la generación del

código CN en lenguaje APT. Para todo ello se ha utilizado el módulo Surface Machining.

Generalmente, este módulo se utiliza para la generación de operaciones de fresado y taladrado

en las piezas, y se adapta perfectamente a las operaciones de conformado incremental que se

quieren realizar. Al usar una herramienta con la punta semiesférica no se produce corte en el

material, si no que siguiendo la trayectoria como si estuviera fresando, la herramienta produce la

deformación plástica del material.

Dentro del módulo Surface Machining se ha usado la operación ZLevel , la cual permite

definir una trayectoria formada por planos horizontales paralelos que son perpendiculares al eje de

la herramienta.

La definición de las trayectorias de la herramienta se realiza fácilmente gracias a una interfaz

intuitiva basada en cuadros de diálogo de gráficos con cinco pestañas (véase la figura 4.4.). La

primera pestaña sirve para definir los parámetros geométricos de la trayectoria, con la segunda se

51



define la geometría de la pieza a mecanizar, con la tercera la herramienta a utilizar, con la cuarta las

velocidades de avance y rotación de la herramienta, y con la quinta las macros mediante las cuales

se crea la estrategia de mecanizado. Solo la definición de la geometría es obligatoria, todos los

demás requisitos tienen un valor por defecto. Los colores verde, rojo y amarillo indican si todavía hay

parámetros sin definir o no, con el fin de completar la operación.

Figura 4.4. Barra de opciones para la configuración de la operación ZLevel con la pestaña de definición de la

geometría de la pieza a mecanizar abierta

Una vez se han definido todos los parámetros es posible reproducir la trayectoria de la

herramienta para la verificación de las operaciones mediante el icono ‘Tool Path Replay’ . El

usuario puede visualizar el proceso de mecanizado y analizar que las trayectorias estén libres de

colisiones. Si se detecta una posible colisión, el sistema crea una advertencia de color rojo.

Finalmente, cuando todas las operaciones de mecanizado estén diseñadas, se procede a la

generación del código NC en lenguaje APT utilizando la operación Generate NC Code Interactively

.


4.2. Modelado de la herramienta de conformado

Para el modelado de las herramientas de mecanizado no hay que diseñar las piezas y realizar el posterior

ensamblaje como se ha comentado anteriormente, sino que se trabaja con la idea de catálogos.

CATIA V5 permite la gestión flexible de herramientas, las cuales pueden ser creadas y almacenadas en

los catálogos de herramientas. Además, CATIA dispone de catálogos de herramientas predefinidos.

Un catálogo de CATIA V5 no es más que una librería de piezas y conjuntos para poderlos utilizar de forma

rápida y ordenada. En estos documentos se guardan los emplazamientos de los modelos incluidos en el

catálogo, no los modelos, por esto son archivos que ocupan muy poco espacio. Estos documentos se crean

con el módulo Catolog Editor.

Para el conformado incremental solo es necesario utilizar una herramienta con punta semiesférica por lo

que no sería necesario crear un catálogo. La otra opción es ir introduciendo los parámetros geométricos de la

herramienta y del portaherramientas en cada operación según sea necesario, e irían apareciendo en el árbol

dentro de ‘Resource List’. Para no tener que introducir en CATIA los datos de la herramienta en cada proceso

de conformado, se ha creado un catálogo con la herramienta y el portaherramientas que se van a utilizar y

así se puede volver a usar para trabajos posteriores de un modo más rápido.

Los parámetros geométricos de la herramienta y del portaherramientas se han modelado tal y como se

muestra en la figura 4.5.

Figura 4.5. Modelado del portaherramientas y la herramienta que se van a utilizar

53



4.3. Modelado del sistema de sujeción

Como se ha comentado en el primer apartado de este capítulo, el modelado de las piezas que forman el

sistema de sujeción de la chapa se ha realizado utilizando el módulo Part Design de CATIA V5, con las

operaciones necesarias en cada caso.

Se han diseñado las piezas principales del sistema de sujeción de la chapa por separado, como se

muestra a continuación. Las dimensiones de cada una de las piezas vienen incluidas en los

documentos/planos anexos al proyecto.

(a) (b)

Figura 4.6. Componentes del bastidor estático: (a) Base inferior, (b) Pilar de unión de la base inferior con las bridas

(a) (b)

Figura 4.7. (a) Brida inferior con hueco circular de diámetro 100 m, (b) Brida inferior con hueco cuadrado de 100 x

100 mm2


Figura 4.8. Brida superior

Figura 4.9. Mesa de trabajo del centro de mecanizado EMCO VMC-200

Una vez se tienen todas las piezas diseñadas se han ensamblado según las posiciones reales que tendrán

durante el proceso de conformado incremental. El conjunto del sistema de sujeción y la mesa de trabajo del

centro de mecanizado se muestra en las siguientes figuras. En la figura 4.10. aparece el sistema de sujeción

provisto de la brida inferior con hueco circular, y en la figura 4.11. provisto de la brida inferior con hueco

cuadrado.

55



Figura 4.10. Sistema de sujeción con brida circular montado sobre la mesa de trabajo

Figura 4.11. Sistema de sujeción con brida cuadrada montado sobre la mesa de trabajo

4.4. Modelado de las chapas

Para el modelado de las chapas se han usado los módulos anteriormente comentados en el primer

apartado de este capítulo. En este apartado se van a ver las características geométricas de las piezas

diseñadas y las estrategias de las trayectorias seguidas.

4.4.1. Diseño de las chapas

Con el fin de investigar el proceso SPIF, se han elegido cinco formas diferentes que representan

la variedad de superficies que se pueden encontrar en piezas diseñadas. Estas son: una forma de


cono con cinco lóbulos, una forma toroidal con pendiente de ángulo variable, un cono, una forma

piramidal con pendiente de ángulo variable y una forma de cruz. Estas geometrías permiten estudiar

la conformabilidad del aluminio 7075-O en secciones sometidas a diferentes estados de

deformación.

Sin entrar en detalle de cómo han sido dibujados con CATIA V5, a continuación se muestran los

diseños de cada chapa, con los que se van a obtener las trayectorias, y sus características

geométricas.

Chapa con forma de cono con cinco lóbulos:

Figura 4.12. Sección transversal chapa con forma de cono con cinco lóbulos

Figura 4.13. Alzado chapa con forma de cono con cinco lóbulos

57



Figura 4.14. Diseño de la chapa con forma de cono con cinco lóbulos

Chapa con forma toroidal con pendiente de ángulo variable:

Figura 4.15. Sección transversal chapa con forma toroidal con pendiente de ángulo variable

Figura 4.16. Diseño de la chapa con forma toroidal con pendiente de ángulo variable


Chapa con forma de cono:

Se han diseñado conos con diferentes pendientes para ver a cuál de ellas se producía el

fallo del material. La elección de la pendiente punto de partida para el estudio se ha realizado

midiendo el ángulo al que se producía el fallo en la chapa con forma toroidal de ángulo variable. A

partir de los resultados experimentales obtenidos, que se verán en el próximo capítulo, se ha

decidido que las pendientes más interesantes para medir las deformaciones son 64°, 66° y 67°.

Figura 4.17. Cono con 64° de pendiente


59




El aspecto exterior es muy similar para las tres pendientes (véase figura 4.20.), ya que varía

solamente la pendiente y por tanto la altura.

Figura 4.20. Diseño chapa con forma de cono

Chapa con forma piramidal con pendiente de ángulo variable:

Figura 4.21. Sección transversal chapa con forma piramidal con pendiente de ángulo variable


Figura 4.22. Diseño de la chapa con forma piramidal con pendiente de ángulo variable

Chapa con forma de cruz:

Figura 4.23. Sección transversal chapa con forma de cruz

Figura 4.24. Alzado chapa con forma de cruz

61



Figura 4.25. Diseño de la chapa con forma de cruz

4.4.2. Estrategia de la trayectoria

La definición de la trayectoria de la herramienta es esencial para la buena calidad de la

superficie y para la exactitud final de la pieza deseada, ya que en SPIF se puede producir

recuperación elástica.

Los módulos CAM de CATIA V5 tienen definido un conjunto de operaciones básicas que, junto

con los parámetros que las definen, permiten generar de forma unívoca la trayectoria que debe

seguir la herramienta para realizar el conformado incremental.

Una de las características más ventajosas de los módulos CAM de CATIA V5 es que permiten

simular con precisión todos los movimientos de la herramienta y de la máquina. Esto agiliza la

programación ya que se puede visualizar fácilmente el resultado del trabajo y permite hacer

chequeos de colisiones entre la herramienta, la pieza y las fijaciones, evitando así errores de

programación que podrían provocar un accidente. Además, reduce el tiempo de validación al no

precisar del empleo de una máquina real.

La trayectoria se ha dividido en tres fases: la aproximación de la herramienta, el proceso de

conformado incremental y la retirada de la herramienta. La primera fase y la tercera son dos

operaciones auxiliares.

La operación de aproximación de la herramienta sirve para posicionar la herramienta en el

punto de partida de la siguiente operación, a una distancia del grosor de un folio por encima de la

chapa (véase la figura 4.26.). Además, permite comprobar, cuando se esté realizando el proceso en

el centro de mecanizado, que la herramienta está siguiendo las órdenes del código de control

numérico correctamente.


Figura 4.26. Operación de aproximación de la herramienta

La fase del proceso de conformado se ha realizado utilizando la operación ZLevel del módulo de

Surface Machining. Esta operación genera la trayectoria por planos a lo largo del contorno de la

pieza con un paso incremental constante de 0.2 mm hacia abajo para cada revolución de la

herramienta de conformado, tal y como se muestra en la figura 4.27.

Figura 4.27. Sección transversal de la herramienta de conformado describiendo las circunferencias

involucradas en el proceso SPIF para la realización del cono

63



La transición entre planos se ha realizado utilizando las macros ‘Clearance’ y ‘Between passes’.

Estas macros permiten diseñar la transición de un plano a otro mediante un movimiento horizontal y

una pequeña bajada como se muestra en la figura 4.28.

Figura 4.28. Transición entre planos durante el proceso de conformado incremental

Para alinear los movimientos de transición entre los planos se ha reducido la tolerancia de

mecanizado lo máximo posible en cada caso. Esta disminución ha sido limitada en cada pieza por el

código de control numérico que se genera, cuya extensión no puede superar el número de líneas y la

capacidad del centro de mecanizado.

A continuación se muestran las trayectorias generadas para cada chapa. En la simulación 3D de

los procesos de conformado CATIA V5 elimina el material como si estuviera realizando un fresado,

quedando el material no eliminado en el centro. Sin embargo, no hay que preocuparse por esto, ya

que lo que interesa para la realización del conformado incremental es que la trayectoria de la

herramienta siga la superficie interior de la pieza. Al conformar incrementalmente siguiendo la

trayectoria con la herramienta de cabeza semiesférica el material se irá deformando y bajando sin

quedar material en el centro.


Figura 4.29. Vistas de la trayectoria de la chapa con forma de cono con cinco lóbulos


Figura 4.30. Simulación 3D del proceso de conformado de la chapa con forma de cono con cinco lóbulos


Figura 4.31. Vistas de la trayectoria de la chapa con forma toroidal con pendiente de ángulo variable

Figura 4.32. Simulación 3D del proceso de conformado de la chapa con forma toroidal con pendiente de

ángulo variable

65




(a) (b)

Figura 4.33. (a) Vistas de la trayectoria de la chapa con forma de cono, (b) Simulación 3D del proceso de

conformado de la chapa con forma de cono


Figura 4.34. Vistas de la trayectoria de la chapa con forma piramidal con pendiente de ángulo variable

Figura 4.35. Simulación 3D del proceso de conformado de la chapa con forma piramidal con pendiente de

ángulo variable



Figura 4.36. Vistas de la trayectoria de la chapa con forma de cruz

Figura 4.37. Simulación 3D del proceso de conformado de la chapa con forma de cruz

Finalmente, la operación de retirada de la herramienta aleja la herramienta de la zona de

conformado, permitiendo un acercamiento sin obstáculos a la zona de trabajo (véase la figura 4.38.).

De esta manera es más sencillo retirar la chapa del sistema de sujeción. Para indicar la distancia que

se quiere que se aleje la herramienta y en que dirección se ha activado la macro ‘Retract’.

67



Figura 4.38. Operación de retirada de la herramienta

Las velocidades de avance y rotación de la herramienta para cada una de las fases se muestran

en la figura 4.39.

(a) (b) (c)

Figura 4.39. Velocidades de avance y rotación de la herramienta: (a) Operación de aproximación de la

herramienta, (b) Operación de conformado, (c) Operación de retirada de la herramienta


4.5. Generación del código APT

Cuando se han diseñado todas las operaciones de mecanizado, se procede a la generación del código de

control numérico en lenguaje APT. Normalmente los sistemas CAM están limitados a la realización de la

programación automática de la máquina herramienta a nivel de trayectoria.

APT (Automatically Programmed Tool) es un lenguaje de alto nivel para la definición de las operaciones

de mecanizado, compuesto de sentencias sencillas que describen la geometría que forma la trayectoria de la

herramienta.

CATIA V5 proporciona el código APT de manera muy sencilla utilizando la operación Generate NC Code

Interactively. En la figura 4.40. se muestra el menú que se abre al elegir esta operación y las diferentes

opciones de las que dispone. En la pestaña ‘In/Out’ se selecciona el programa de mecanizado del que se

quiere generar el código de control numérico, el tipo de código que se desea, que en este caso es APT, y la

carpeta de destino. Presionando en el botón ‘Execute’ se genera el código APT en un archivo ‘aptsource’ que

se puede abrir con un bloc de notas. Un ejemplo de un archivo generado se muestra en la figura 4.41.

Figura 4.40. Menú de generación de código APT

69



Figura 4.41. Ejemplo de archivo generado en código APT con CATIA V5

Generate NC Code Interactively dispone, además, de otras opciones que están predefinidas por defecto y

que permiten perfeccionar el código generado. En la ventana ‘Tool motions’ hay opciones para mejorar la

interpolación circular (véase la figura 4.42.). Los parámetros de radio máximo y radio mínimo son

importantes, ya que al acotar el rango posible de los radios de circunferencia, CATIA detecta mejor los arcos

de circunferencia, por ejemplo de los lóbulos de la pieza con forma de cono con 5 lóbulos, y el algoritmo de

resolución converge en la búsqueda de soluciones.

(a) (b)

Figura 4.42. Opciones de interpolación circular de la pestaña ‘Tool motions’: (a) Parámetros por defecto, (b)

Parámetros de mejora utilizados en la forma de cono con 5 lóbulos


4.6. Postprocesado con WinPost

La ausencia de normalización en la programación orientada a operaciones de mecanizado ha

condicionado que se hayan desarrollado postprocesadores para la adecuación del lenguaje proporcionado

por los sistemas CAM al lenguaje específico de la máquina herramienta de control numérico, generalmente

código ISO. Los postprocesadores son por lo tanto un elemento indispensable para el proceso que permite

convertir las coordenadas de las trayectorias a órdenes de movimiento de la máquina, teniendo que realizar

en algunos casos compensaciones según la herramienta utilizada y las correspondientes adaptaciones de la

velocidad de avance y giro de la herramienta.

ISO es un lenguaje estandarizado que entienden la mayoría de los controles. El código consiste en una

serie de líneas numeradas con comandos dados principalmente con la letra G seguida de un número, y a

continuación una serie de parámetros. Además, se incluye numerosas funciones auxiliares para activar

procesos de la máquina con el código M así como numerosos ciclos de mecanizado que facilitan la

programación.

La desventaja del lenguaje ISO es que no está optimizado para ningún control en concreto y no se adapta

con facilidad a los nuevos procesos de mecanizado que contienen trayectorias cada vez más complejas.

Además su programación ‘a pie de máquina’ es poco intuitiva, por lo que los fabricantes han optado en su

mayoría por crear su propio lenguaje.

Para generar la traducción del lenguaje APT, proporcionado por CATIA V5, al lenguaje ISO específico del

centro de mecanizado con el que se va a realizar el proceso de conformado incremental se ha utilizado

WinPost. Se trata de un programa gratuito que trabaja con postprocesadores y que genera la traducción de

lenguaje APT a ISO de forma muy rápida. Además, permite la configuración de los postprocesadores

mediante archivos PPC (Post-Processeur Configuration), por lo que se puede personalizar para el centro de

mecanizado que se va a utilizar.

El entorno de trabajo de WinPost se muestra en la figura 4.43. Este consta de la barra de herramientas y

cuatro ventanas. En la primera opción de la barra de herramientas, ‘File’, se selecciona el postprocesador

configurado y se abre el archivo APT generado por CATIA V5 que se quiere traducir a lenguaje ISO (también

se puede abrir directamente con el icono ). El archivo APT se cargará en la ventana superior izquierda del

entorno de trabajo de WinPost. Posteriormente, se selecciona el icono ‘Process APT file’ , el cual ejecuta

la operación de traducción de APT a ISO. El resultado de la traducción en lenguaje ISO aparecerá en la

ventana superior derecha. El código se representa en diferentes colores que ayudan al análisis y verificación

visual del postprocesado. La ventana inferior izquierda muestra la información de las herramientas utilizadas

y la ventana inferior derecha muestra información del proceso, como por ejemplo la hora en la que comenzó

el proceso y la hora de finalización.

71



Figura 4.43. Entorno de trabajo principal de WinPost

Una vez generado el código ISO se guarda en un archivo de texto con extensión ‘.dat’, por ejemplo, y ya

se tiene preparado para cargarlo en el centro de mecanizado donde se va a realizar el proceso de

conformado incremental. En la figura 4.44. se muestra un ejemplo del resultado que se obtiene tras la

generación de código ISO con WinPost.

Figura 4.44. Ejemplo de código postprocesado con WinPost

73

CAPÍTULO 5 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

En este capítulo se va a explicar el procedimiento seguido en el taller para la fabricación de las piezas

mediante conformado incremental y la posterior medición de las deformaciones producidas.

5.1. Preparación de la chapa de trabajo

En primer lugar se corta la chapa de trabajo de una lámina de material AA7075-O con un espesor de 1.6

mm, sin tener en cuenta la dirección de laminación, puesto que en el estudio de las deformaciones sufridas

en las piezas no se va a tener en cuenta la anisotropía del material. La chapa tiene que ser cortada con unas

medidas de 170 x 170 mm2 para que pueda ir montada en el sistema de sujeción comentado en capítulos

anteriores.

Mediante ensayos experimentales se observó que en la superficie del aluminio 7075-O al ser muy

deformado aparecía un efecto de ‘piel de naranja’. Este efecto junto al satinado propio de la superficie del

AA7075-O provocaba que el mallado realizado en las partes muy deformadas prácticamente no se viera y por

lo tanto la medición de las deformaciones se hiciera muy complicada. Como solución al problema planteado

se probaron varios métodos para que la superficie del aluminio fuera mate. Entre ellos la dispersión por

arena, que fue descartada rápidamente al introducir tensiones en el material, y el atacado superficial con

varios ácidos (ácido clorhídrico, Keller). Tras varias pruebas se llegó a la conclusión que el Keller era la mejor

solución al dejar la superficie totalmente mate y blanquecina, con lo que el mallado de la superficie se

distinguía perfectamente. De manera que una vez se tiene la chapa cortada se realiza un atacado superficial

con Keller.

El Keller es un ácido capaz de deshacer los huesos y el vidrio, por lo que siempre que se trabaja con él

hay que tomar una serie de precauciones de seguridad en el laboratorio: uso de bata, guantes y gafas. La

composición del Keller se muestra en la tabla 5.1.

HF HCl HNO3 H2O

2.5 cc 1.5 cc 2.5 cc 93.5 cc

Tabla 5.1. Composición del Keller

74 Procedimiento experimental

5.2. Mallado

Para poder medir las deformaciones que se producen tras el conformado de las piezas es necesario

realizar un marcado del material.

Tanto las mallas impresas como las obtenidas por técnicas fotográficas pueden ser borradas con cierta

facilidad durante el conformado, por lo cual se prefieren utilizar las mallas aplicadas por ataque químico. En

la figura 5.1. se muestran algunos ejemplos de estos esquemas.

Figura 5.1. Diferentes ejemplos de esquemas de mallas

En este proyecto se ha utilizado una técnica electrolítica para la realización del mallado sobre la

superficie de la chapa. Para ello se ha usado el sistema ‘Electrolytic marking system EU-CLASSIC’ de OSTLING,

disponible en el laboratorio del departamento, que además de dar el resultado deseado, es un proceso

rápido, fácil y que no introduce tensiones en el material. El equipo de mallado utilizado se puede ver en la

figura 5.2.

Figura 5.2. Equipo de mallado electrolítico disponible en el laboratorio del departamento de Ingeniería Mecánica y

Fabricación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de la Universidad de Sevilla.

75



El procedimiento de mallado es muy sencillo, consiste en colocar una primera chapa con la que se realiza

la conexión a tierra, sobre esta se coloca la chapa de trabajo y encima la plantilla que se va a grabar. La

herramienta de marcado se conecta a la fuente de alimentación, la cual se programa en corriente continua

con 12 voltios para la realización del mallado. El montaje se puede observar en la figura 5.2. Una vez estén

todos los elementos correctamente conectados, la herramienta de marcado se moja en el electrolito, en

nuestro caso de aluminio, y se pasa varias veces con velocidad constante sobre la plantilla de manera que la

corriente y el electrolito reaccionan químicamente el uno con el otro produciéndose el grabado de la plantilla

sobre la chapa de trabajo. Posteriormente, se retira la plantilla de mallado. Al tratarse de aluminio el material

de la chapa de trabajo es necesario neutralizar la reacción mediante un neutrolito. Finalmente se retira el

exceso de neutrolito aplicando aire a presión y ya se tiene la chapa correctamente mallada, sin corrosión u

otros efectos negativos sobre el material.

Se ha utilizado una plantilla con un patrón de círculos de diámetro 1 mm con una separación entre los

centros de 2 mm. En la figura 5.3. se observa el resultado obtenido sobre la chapa de trabajo. El patrón de

círculos permite determinar a simple vista la dirección de las deformaciones principales, que son aquellas en

las que están orientados los dos ejes de la elipse en la que se convierte el círculo después de la deformación.

Figura 5.3. Mallado realizado sobre una chapa de AA7075-O previamente atacada superficialmente con Keller


5.3. Realización ensayos de conformado incremental

Para la realización de los ensayos de conformado incremental se coloca la chapa mallada en el sistema

de sujeción en la mesa de trabajo del centro de mecanizado EMCO VMC-200 y se fija manualmente la

posición cero de la herramienta en el punto (526.025, 110.825, 384). Posteriormente, la trayectoria en

código ISO de la pieza a conformar se carga en el controlador EMCOTRONIC TM02 y se ejecuta. Para reducir

la fricción entre la herramienta y la chapa durante el proceso se activa la lubricación del centro de

mecanizado.

La herramienta de conformado va montada en la torreta de la máquina herramienta. La mesa de trabajo

del centro de mecanizado se mueve en las direcciones X e Y, y la herramienta de conformado empuja la

chapa en la dirección Z, causando la deformación plástica.

Durante el proceso, la herramienta desciende en pequeños pasos constantes (Δz = 0.2 mm) después de

cada revolución a lo largo del contorno, y tiende a acercarse al centro de la pieza. Esta transición entre los

planos ha producido una marca de las bajadas en la superficie en todas las piezas conformadas (véase la

figura 5.4.).

Figura 5.4. Marca en la superficie como resultado de la transición de la herramienta de conformado entre revoluciones a

lo largo de la trayectoria

77



Los resultados obtenidos para cada modelo de chapa se muestran a continuación.


El ensayo de conformado incremental de un único punto para la chapa con forma de cono con

cinco lóbulos se ha realizado sin que se produjera el fallo de la pieza. La figura 5.5. muestra la

ejecución del proceso y en la figura 5.6. se ve la pieza final obtenida.

Figura 5.5. Proceso SPIF de la chapa con forma de cono con cinco lóbulos

Figura 5.6. Chapa con forma de cono con cinco lóbulos obtenida por SPIF


Durante el proceso SPIF de la chapa con forma toroidal se produjo el fallo a una profundidad de

25.6 mm. La figura 5.7. muestra la ejecución del proceso y en la figura 5.8. se ve la pieza final

obtenida.


Figura 5.7. Proceso SPIF de la chapa con forma toroidal con pendiente de ángulo variable

Figura 5.8. Chapa con forma toroidal con pendiente de ángulo variable

Figura 5.9. Grieta producida en la chapa con forma toroidal con pendiente de ángulo variable

79




Se han realizado varios ensayos de conos con distintas pendientes para buscar a qué inclinación

se produce el fallo.

El primer ensayo experimental se realizó con una pendiente de 70° y se observó que el fallo se

producía muy rápido, entonces se decidió repetir el ensayo con una pendiente de 68°, sin encontrar

demasiada mejoría.

Figura 5.10. Cono con 70° de pendiente Figura 5.11. Cono con 68° de pendiente

A la vista de los resultados se decidió realizar una mayor disminución de la pendiente a 64°,

dándole la altura máxima al cono permitida por la altura del sistema de sujeción. Este ensayo a 64°

mostró unos resultados sorprendentes al alcanzarse el total de la altura sin que se produjera el fallo

(véase la figuras 5.12. y 5.13.).

Figura 5.12. Proceso SPIF de la chapa con forma de cono con 64° de pendiente


Figura 5.13. Chapa con forma de cono con 64° de pendiente

Continuando con el objetivo de buscar la inclinación a la que se producía la rotura se volvió a

aumentar la inclinación del cono a 67° (véase las figuras 5.14. y 5.15.).



81



Figura 5.16. Grieta producida en la chapa con forma de cono con 67° de pendiente

El ensayo con 67° de pendiente no alcanzó una profundidad aceptable por lo que se redujo de

nuevo la pendiente a 66° (véase la figura 5.17. y 5.18.). Con esta pendiente se lograron los resultados

que se buscaban, puesto que se consiguió una gran profundidad y a la vez el fallo del material.



Figura 5.19. Grieta producida en la chapa con forma de cono con 66° de pendiente


En la siguiente imagen se presentan todas las chapas con forma de cono obtenidas con las

diferentes pendientes para comparar la profundidad alcanzada por cada una.

Figura 5.20. Chapas con forma de cono con diferentes pendientes obtenidas con SPIF


La figura 5.21. muestra el proceso SPIF para la chapa con forma piramidal. Durante el proceso

SPIF se produjo el fallo de la pieza.

Figura 5.21. Proceso SPIF de la chapa con forma piramidal con pendiente de ángulo variable

Durante el proceso SPIF se observó que el lubricante almacenado en la pieza no formaba una

superficie cuadrada (sección de la pirámide) sino que las esquinas estaban redondeadas con se

muestra en la figura 5.22. Esto es indicativo de una mayor recuperación elástica en las esquinas de la

pirámide, que hace que se levante más en esta zona de la chapa.

64° 66° 67° 68° 69°

83



Figura 5.22. Proceso SPIF de la chapa con forma piramidal con pendiente de ángulo variable

Figura 5.23. Chapa con forma piramidal con pendiente de ángulo variable

Figura 5.24. Grieta producida en la chapa con forma piramidal con pendiente de ángulo variable



Durante el proceso SPIF no se produjo la rotura de la forma de cruz con pendiente de 64°, sin

embargo el estudio de esta pieza proporciona resultados en diferentes estados de deformación, por

lo que resulta muy interesante.

Figura 5.25. Proceso SPIF de la chapa con forma de cruz

Figura 5.26. Chapa con forma de cruz

85



5.4. Medición de deformaciones

Después del proceso de conformado se evalúan las deformaciones sufridas, las cuales proporcionan

información importante sobre la conformabilidad del AA7075-O.

Las deformaciones de una pieza conformada incrementalmente varían enormemente de un punto a

otro. Estas deformaciones localizadas pueden ser analizadas a través del mallado electrolítico.

Figura 5.27. Ejemplo de las deformaciones que ocurren en una pieza conformada incrementalmente

Cuando el material se conforma, la deformación en la superficie transforma los círculos en elipses. En la

figura 5.28. se muestra un círculo deformado hasta constituir una elipse con ejes mayor y menor, a y b,

respectivamente.

Figura 5.28. Deformación sufrida por un círculo patrón hasta constituir una elipse


En primer lugar, para medir la deformación de las piezas tras los ensayos, es necesario saber las

dimensiones del mallado grabado previamente en la chapa. En este caso se trata de círculos con un diámetro

𝑑0 de 1 mm.

Posteriormente, se miden las deformaciones sufridas en la chapa. Las mediciones en la pieza deformada

conducen a una relación entre las deformaciones. Conociendo las deformaciones mayores (eje mayor de la

elipse, a) y menores (eje menor de la elipse, b) que se han producido sobre cada círculo y que presentan

direcciones perpendiculares, se pueden calcular las deformaciones principales como:

𝜀1 = ln𝑎

𝑑0

𝜀2 = ln𝑏

𝑑0

Donde, por definición, ε1 es la deformación principal máxima, y ε2 es la deformación principal mínima.

Diferentes modos de deformación generan diferentes ratios entre el eje mayor y el eje menor de las

elipses, mostrando las dos principales direcciones de la deformación en el plano de la chapa. En la figura

5.29. se muestran diferentes estados de las deformaciones principales.

Figura 5.29. Diferentes estados de las deformaciones principales (basado en R.Z.Hasan et al., 2011)

Una vez el material se ha conformado, existen diferentes sistemas para determinar la deformación de la

malla de círculos: manualmente, a través de bandas de medida o microscopio, o de forma automática,

gracias a sistemas automáticos de medida de deformaciones a través de imágenes de la pieza. En este

proyecto se ha utilizado el sistema ARGUS® y el microscopio para la medición de las deformaciones.

87



ARGUS® es un programa para el análisis de las deformaciones mediante un sistema óptico en 3D

desarrollado por GOM. Proporciona las coordenadas 3D de la superficie del componente así como la

distribución de las deformaciones mayores y menores y la reducción de espesor del material, pudiéndose

obtener, fácilmente, puntos que se pueden representar en el diagrama límite de conformado.

El método de medición de las deformaciones mediante el sistema ARGUS® consiste en la comparación

de las posiciones de los puntos entre un estado no deformado y el estado deformado de la pieza.

Al generar un nuevo proyecto, ARGUS® permite caracterizar el estado no deformado con el que

comparar mediante la introducción de la distancia entre los puntos del mallado electrolítico realizado, la

lente, la escala y el color de las elipses, en nuestro caso negro sobre blanco.

Para la medición del estado deformado ARGUS® trabaja con puntos de referencia (véase la figura 5.30.),

los cuales pueden ser claramente identificados y constituyen la base para el cálculo 3D. Están diseñados

como marcadores que pueden ser libremente posicionados alrededor de la pieza.

Figura 5.30. Puntos de referencia para el sistema ARGUS (GOM, 2014)

Después de la colocación de los puntos de referencia alrededor de la pieza, esta se fotografía con una

cámara NIKON desde varias vistas, el número de fotografías dependerá de la complejidad de la pieza

analizada. El cálculo en 3D de los puntos de medición se realiza utilizando métodos fotogramétricos. La idea

básica de la fotogrametría es mirar los mismos puntos (codificados y sin codificar) desde diferentes

direcciones y calcular sus coordenadas 3D. Esto conduce a una alta exactitud de medición para la

identificación de los puntos. Por lo tanto, por medio de las imágenes realizadas desde diferentes ángulos de

vista ARGUS® puede calcular la ubicación de los puntos y orientarlos espacialmente de manera automática.

Así, la superficie entera de la chapa deformada se determina en función de la densidad y posición de la malla

aplicada sobre la misma. Las posiciones de la cámara durante la medición de las deformaciones de la pieza

utilizando el sistema ARGUS se muestran en la figura 5.31. Se recomienda la toma de las fotografías

alrededor de los 360° de la pieza en tres planos, a 30°, 60° y 90° aproximadamente. Para que ARGUS®

reconozca una fotografía como buena es necesario que al menos cinco puntos del patrón de referencia estén

enfocados.


Figura 5.31. Método de medición de la deformación mediante el sistema ARGUS. Posiciones de la cámara durante la

medición (GOM, 2014)

El sistema ARGUS® interpreta las imágenes y genera la medición 3D de los datos. Inicialmente el

programa determina una nube de puntos consistente en puntos distorsionados no asignados,

posteriormente, el sistema crea automáticamente una malla asignando a cada punto sus puntos vecinos.

Finalmente, los resultados se presentan en una malla de puntos de alta resolución que representa la

superficie de la pieza.

Sin embargo, se han encontrado ciertas dificultades con el sistema ARGUS® ya que no proporciona una

precisión aceptable en la medición de ciertas áreas de la pieza de trabajo, especialmente las que incluyen

grandes deformaciones. Por lo que la medición de las deformaciones en esas áreas de la pieza se ha realizado

manualmente con la ayuda de un microscopio.

Figura 5.32. Ejemplo de medición de las deformaciones con el microscopio

89



A continuación se muestran las imágenes obtenidas con ARGUS® para cada una de las piezas. En ellas se

presentan las tres secciones utilizadas para la medición de las deformaciones. Los huecos no calculados por

ARGUS® se han completado midiendo las deformaciones de las elipses con el microscopio. Los resultados

finales obtenidos se presentan en el próximo capítulo.


Figura 5.33. Chapa con forma de cinco lóbulos con las referencias de ARGUS® para el cálculo de los puntos

Figura 5.34. Vista 3D de la pieza con las deformaciones proporcionadas por ARGUS®



Los cortes en las deformaciones se deben a que se realizó una prueba de mallado electrolítico

con diferentes voltajes para observar con cuál de ellos el mallado quedaba mejor grabado para

medir las deformaciones.

Figura 5.35. Chapa con forma toroidal con pendiente de ángulo variable con las referencias de ARGUS® para el

cálculo de los puntos


91




o Cono 64° de pendiente:

Figura 5.37. Chapa con forma de cono con 64° de pendiente con las referencias de ARGUS® para el cálculo

de los puntos



o Cono con 66° de pendiente:

En el cono con 66° de pendiente no ha sido posible cerrar ninguna sección

completamente y al tener una gran altura los datos proporcionados por ARGUS no eran

suficientes, por lo que se han tomado todas las mediciones de las deformaciones

manualmente con el microscopio.

Figura 5.39. Chapa con forma de cono con 66° de pendiente con las referencias de ARGUS® para el


o Cono 67° de pendiente:

Figura 5.40. Chapa con forma de cono con 67° de pendiente con las referencias de ARGUS® para el



93




Figura 5.42. Chapa con forma piramidal con pendiente de ángulo variable con las referencias de ARGUS® para el





Figura 5.44. Chapa con forma de cruz con las referencias de ARGUS® para el cálculo de los puntos


95

CAPÍTULO 6 RESULTADOS OBTENIDOS

Tras la determinación de las deformaciones mayores y menores en los diferentes puntos del elemento

conformado proporcionadas por ARGUS®, y agregando los valores de las mediciones tomadas con el

microscopio, se construyen los diagramas donde se representan las deformaciones alcanzables por SPIF. Las

deformaciones medidas se representan junto con los diagramas límite de conformado para compararlas con

las propiedades del material.

A continuación se describen los resultados para cada una de las piezas realizadas.

6.1. Chapa con forma de cono con cinco lóbulos

La figura 6.1. muestra un DLC con los resultados experimentales de deformaciones medidas a lo largo de

dos secciones distintas, una siguiendo el centro de uno de los lóbulos (círculos negros) y la otra siguiendo una

arista entre 2 lóbulos adyacentes (círculos blancos). En el primer caso se puede apreciar que las condiciones

de deformación del material están próximas a la deformación plana. En la zona de la arista existe compresión

circunferencial, que aumenta en la dirección de la trayectoria marcada, conforme la arista se vuelve más

profunda.

Siguiendo las dos secciones de la figura 6.1. se aprecia que la máxima deformación (ε1,máx=1.03 y

ε1,máx=0.73) se produjo cerca de la base de la chapa, aproximadamente en el primer cuarto de recorrido. A

partir de ahí la deformación siguiendo el centro de un lóbulo se relaja poco a poco, mientras que siguiendo

una arista entre lóbulos aumenta la comprensión circunferencial de forma paulatina hasta alcanzar ε2,mín =-

0.26.

En cuanto a la conformabilidad del material, en este ensayo no se produjo fallo alguno. Como puede

apreciarse en la figura 6.1., los mayores valores de deformación (ε1,máx=1.03) superan notablemente la curva

de fractura FFL.

96 Resultados obtenidos

Figura 6.1. Representación DLC junto los resultados de las deformaciones medidas en la forma de cono con cinco lóbulos

6.2. Chapa con forma toroidal con pendiente de ángulo variable


una sección de la chapa con forma toroidal con pendiente de ángulo variable (círculos negros). Se puede

apreciar que las condiciones de deformación del material están próximas a la deformación plana.

En la figura 6.2. se observa que a medida que avanza el proceso de SPIF las deformaciones van siendo

cada vez mayores, produciéndose la máxima deformación a una altura de unos 24 mm de la base de la

chapa, con un valor de ε1,máx=1.13. A esta altura se produce el fallo del material, teniendo la trayectoria en

ese punto una pendiente de 70° aproximadamente. Esta pendiente ha sido utilizada como punto de partida

para el estudio realizado de la pendiente a la que falla la chapa con forma de cono.

Como puede apreciarse en la figura 6.2., los mayores valores de deformación (ε1,máx=1.13) superan

notablemente la curva de fractura FFL.

97



Figura 6.2. Representación DLC junto los resultados de las deformaciones medidas en la forma toroidal con pendiente de

ángulo variable

6.3. Chapa con forma de cono

La figura 6.3. muestra un DLC con los resultados experimentales de las deformaciones medidas en tres

chapas con forma de cono con pendientes de 64° (círculos negros), 66° (círculos blancos) y 67° (círculos

grises) respectivamente, a lo largo de una sección en cada cono. En los tres casos se puede apreciar que las

condiciones de deformación del material están próximas a la deformación plana, aumentando el valor de la

deformación máxima a medida que aumenta la pendiente del cono.

En la figura 6.3. se observa que en las primeras vueltas de la trayectoria del conformado incremental de

las piezas las deformaciones aumentan de manera exponencial, estabilizándose estas con valores muy

próximos a los largo de toda la generatriz del cono, y a medida que se acerca de nuevo a la base superior del

cono, es decir, la zona más cercana a lo que sería el vértice del cono, los valores de las deformaciones van

disminuyendo de nuevo paulatinamente. Las deformaciones máximas son para el caso del cono con

pendiente de 64° ε1,máx=0.88, para el cono con pendiente de 66° ε1,máx=1.03 y para el cono con pendiente de

67° ε1,máx=1.11.

En cuanto a la conformabilidad del material, con estos ensayos se ha observado que variando la

pendiente la fractura se produce a diferentes alturas, no produciéndose fallo en el cono con pendiente de

64°. A mayor pendiente la deformación máxima producida también es mayor, y la altura alcanzada por el

cono antes de que se produzca el fallo es menor. Como puede apreciarse en la figura 6.3., los mayores

valores de deformación máximos en los tres casos estudiados superan notablemente la curva de fractura

FFL.


Figura 6.3. Representación DLC junto los resultados de las deformaciones medidas en la forma de cono

6.4. Chapa con forma piramidal con pendiente de ángulo variable


tres secciones distintas, una siguiendo el centro de la cara de la pirámide (círculos negros), otra siguiendo la

sección correspondiente a un cuarto de cara (círculos blancos) y la otra siguiendo una arista (círculos grises).

En el primer caso se puede apreciar que las condiciones de deformación del material están próximas a la

deformación plana, y que a medida que nos acercamos a la zona de la arista la deformación principal mínima

ε2 va aumentando y la deformación principal máxima ε1 va disminuyendo, aproximándose a la zona de

deformación equi-biaxial.

Siguiendo las tres secciones de la figura 6.4. se aprecia que la máxima deformación se produjo en el

centro de la cara en la base superior de la pirámide (ε1,máx=1.08), siendo esta muy superior a la deformación

máxima producida en la arista (ε1,máx=0.6). En la arista a medida que nos acercamos a la base superior de la

chapa no solo aumenta la deformación máxima, sino que también va aumentando la deformación mínima,

hasta alcanzar ε2,máx=0.35, siendo las elipses bastante circulares.

99



En cuanto a la conformabilidad del material, en este ensayo se produjo el fallo del material en el centro

de la cara en la base superior de la pirámide, donde la deformación máxima es mayor, a una profundidad

alcanzada por la herramienta de Z=-30.6 mm (superior que en la chapa con forma de cono con pendiente de

ángulo variable, Z=25.6 mm). Como puede apreciarse en la figura 6.4., los mayores valores de deformación

(ε1,máx=1.08) superan notablemente la curva de fractura FFL.

Por otra parte, se aprecia una torsión de la pieza como consecuencia del recorrido de la trayectoria

realizado siempre en el mismo sentido (en contra de las agujas del reloj). Para evitar esta torsión, una

solución sería alternar el sentido de la trayectoria en cada pasada.

Figura 6.4. Representación DLC junto los resultados de las deformaciones medidas en la forma piramidal con pendiente

de ángulo variable

6.5. Chapa con forma de cruz


cuatro secciones distintas, una siguiendo el centro de la cara exterior de la cruz (círculos negros), otra

siguiendo la arista exterior de la cruz, formada por la cara exterior y la cara interior, (círculos azules), otra

siguiendo el centro de una cara interior (círculos rojos), y la otra siguiendo una arista interior de la cruz,

formada por dos caras interiores, (círculos rosas). Se puede apreciar que las condiciones de deformación del

material están próximas a la deformación plana. En la zona de la ‘arista interior’ existe compresión

circunferencial, que aumenta en la dirección de la trayectoria marcada, conforme aumenta la altura de la


pieza. En la sección de la ‘arista exterior’ las elipses son más circulares conforme avanza el proceso de

conformado incremental, aproximándose a la zona de deformación equi-biaxial.

Siguiendo las cuatro secciones de la figura 6.5. se aprecia que la máxima deformación (ε1,máx=0.86) se

produjo cerca de la base de la chapa en la sección ‘cara exterior’, a partir de ahí la deformación vuelve a

disminuir. Este valor es muy superior a las deformaciones máximas de las otras secciones, teniendo un valor

de ε1,máx=0.48 en la ‘cara interior’ y ε1,máx=0.52 en la ‘arista exterior’. Siguiendo la sección ‘arista interior’

aumenta la comprensión circunferencial de forma paulatina hasta alcanzar ε2,mín=-0.17.

En cuanto a la conformabilidad del material, en este ensayo no se produjo fallo alguno. Como puede

apreciarse en la figura 6.5., los mayores valores de deformación (ε1,máx=0.86) producidos en la sección ‘cara

exterior’ no llegan a superar la curva de fractura FFL, pero están muy próximos a ella.

Figura 6.5. Representación DLC junto los resultados de las deformaciones medidas en la forma de cruz

101



6.6. Discusión de los resultados

Los resultados obtenidos muestran que los diagramas límite de conformado convencionales no se

pueden aplicar al conformado incremental, ya que con este proceso se alcanzan valores de deformación que

superan notablemente la curva de fractura FFL.

La combinación de las deformaciones medidas de las cinco formas ensayadas proporciona un análisis

completo de la predicción de fractura, a partir del cual se obtiene un diagrama límite de conformado para

SPIF (FFL experimental, línea magenta), que se muestra en la figura 6.6.

Figura 6.6. Representación DLC junto con los resultados obtenidos de todas las formas ensayadas

103

CAPÍTULO 7 CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS

En este proyecto ha habido dos partes claramente diferenciadas, el diseño y modelado de las piezas para

la generación de las trayectorias de las operaciones de conformado incremental mediante CATIA V5, y otra

parte más experimental, en la que se han utilizado estas trayectorias para llevar a cabo el proceso de

conformado en el centro de mecanizado EMCO VMC-200, disponible en el taller del departamento de

Ingeniería Mecánica y Fabricación, para posteriormente estudiar con estos ensayos la conformabilidad del

AA7075-O de 1.6 mm de espesor.

A continuación se presentan las conclusiones obtenidas en este trabajo y se proponen algunos posibles

trabajos futuros que pueden desarrollarse a partir de este proyecto.

7.1. Conclusiones

A lo largo del presente documento se ha mostrado cómo se han ido satisfaciendo todos los objetivos

previamente comentados en el capítulo 1. La utilización del software CATIA V5 para el diseño y la obtención

de las trayectorias de las operaciones de conformado incremental ha sido un éxito. CATIA V5 ha permitido

modelar el proceso de conformado incremental de una manera fácil e intuitiva, consiguiendo una muy buena

precisión en las trayectorias realizadas, y proporcionando el código de control numérico en lenguaje APT.

La adaptación del código de control numérico generado por CATIA V5 a un lenguaje ISO que pueda ser

utilizado en el centro de mecanizado EMCO VMC-200 se ha realizado gracias al postprocesador WinPost. Este

programa ha cubierto las necesidades del proyecto, permitiendo que se puedan realizar operaciones de

conformado incremental en el centro de mecanizado disponible a partir de modelos realizados con CATIA V5.

Para caracterizar la conformabilidad del AA7075-O de 1.6 mm de espesor en el proceso de conformado

incremental de un solo punto (SPIF), se ha realizado un estudio de las deformaciones producidas en las

piezas ensayadas. Para ello, se ha utilizado el sistema ARGUS® y el microscopio. Durante la medición de las

deformaciones se han encontrado ciertas dificultades con el sistema ARGUS® que han impedido una

precisión aceptable en la medición de ciertas áreas de la pieza de trabajo, especialmente las que incluyen

grandes deformaciones. Por lo que la medición de las deformaciones en esas áreas de la pieza se ha realizado

104 Conclusiones y trabajos futuros

manualmente con la ayuda de un microscopio.

Una vez obtenidos los resultados, se ha realizado una comparación con las curvas límite de conformado

del material. Como se ha mostrado en el capítulo 6, se han obtenido valores más altos de deformación con

SPIF que con los ensayos convencionales Nakazima. Por lo tanto, se comprueba que la conformabilidad del

AA7075-O de 1.6 mm de espesor en el proceso SPIF es mayor que en los procesos convencionales, siendo

posible conseguir una superficie libre de defectos con deformaciones ε1,máx=1.13 y 66° de pendiente de la

pared.

El estudio muestra que los diagramas límite de conformado convencionales no se pueden aplicar al

conformado incremental, sin embargo los resultados no son lo suficientemente extensos para proponer un

método de construcción del diagrama límite de conformado incremental. No obstante, se ha propuesto una

FFL experimental a partir de los datos conjuntos de las cinco geometrías ensayadas.

Los resultados de los ensayos de SPIF muestran una tendencia general de las deformaciones muy

próximas a la deformación plana. Las condiciones de deformación de compresión o equi-biaxial solo son

medibles en zonas particulares de la chapa deformada como son las aristas.

Por otro lado, se ha constatado con los ensayos de los conos la gran influencia que ejerce el ángulo de

inclinación de la pared de la chapa. Esto demuestra que la deformación ε1 se hace más significativa y alcanza

mayores valores cuanto mayor sea el ángulo de inclinación de la pared. También se ha observado que no

existe un ángulo específico de la pendiente al cual se produce la fractura del material, sino que hay un rango

de ángulos para los cuales se produce la fractura a diferentes alturas durante el conformado de la pieza. Es

decir, a partir de 66° de pendiente la altura alcanzada por el cono va disminuyendo, produciéndose el fallo

más rápidamente.

Se concluye que el proceso de conformado incremental de chapa de un solo punto (SPIF) es un proceso

viable y tiene un gran potencial para el desarrollo de productos. Además, se puede realizar en un centro de

mecanizado sin necesidad de matrices auxiliares, a partir de modelos realizados con CATIA V5.

7.2. Trabajos futuros

Este trabajo sirve como punto de partida para la realización de piezas de conformado incremental en el

centro de mecanizado EMCO VMC-200 disponible en el taller del departamento de Ingeniería Mecánica y

Fabricación, a partir del modelado de las piezas realizado con CATIA V5.

El desarrollo de futuros trabajos puede seguir la misma línea de investigación que este proyecto sobre el

estudio de la conformabilidad del AA7075-O. Este trabajo puede ser completado mediante el estudio de la

reducción del espesor que sufren las piezas durante el proceso de conformado incremental y comprobar si se

cumple la ley de los senos, así como si este factor guarda relación con la altura alcanzada por la pieza.

Asimismo, se pueden continuar realizando ensayos con los modelos diseñados variando los parámetros

críticos, como pueden ser el tamaño del radio de la herramienta, el tamaño del paso incremental o el ángulo

de inclinación de la pared de las piezas, y estudiar cómo se comporta el material con estos cambios.

105



Por otro lado, se plantea la posibilidad de utilizar los diseños realizados con CATIA V5 para estudiar el

proceso de conformado incremental de un solo punto en otros materiales.

Por último, siguiendo las pautas desarrolladas en este trabajo, otras posibles vías de desarrollo futuro

podrían ser el estudio del conformado incremental en piezas con agujero y el estudio del conformado

incremental utilizando estrategias multipasada para la formación de ángulos rectos.

106 Conclusiones y trabajos futuros

107

REFERENCIAS

A.J. Martínez-Donaire (2012). Análisis del efecto del gradiente de deformaciones en el conformado de

chapa metálica.Tesis doctoral. Escuela Técnica Superior de Ingeniería. Universidad de Sevilla.

Centro de mecanizado EMCO VMC-200. Modo de empleo VMC-200. Edición 89-12.

Dassault Systèmes (2013). Catia Documentation Version 5 Release 19.

http://www.maruf.ca/files/catiahelp/CATIA_P3_default.htm.

Dorel Banabic (2010). Sheet Metal Forming Processes: Constitutive Modelling and Numerical Simulation.

Ed. Springer.

Egberto Garijo Gómez (2012). Diseño y fabricación con CATIA V5. Módulos CAM. Mecanización por

arranque de viruta. Ed. Visión Net.

E. Hagan and J. Jeswiet (2003). Effect of wall angle on Al3003 strain hardening for parts formed by

computer numerical control incremental forming. Proc. Instn Mech. Engrs Vol. 217. Part B: J. Engineering

Manufacture.

Fatronik (2006). Incremental sheet forming – industrial applications. Internacional Seminar on Novel

Sheet Metal Forming Technologies.

Flores, P. Duchene, L. Bouffioux, C. Lelotte, T. Henrard, C. Pernin, N. Van Bael, A. He, S. Duflou, J.

Habraken, A.M (2007). Model identification and FE simulations: Effect of different yield loci and hardening

laws in sheet forming. Internacional Journal of Plasticity.

G. Ambrogio, L. De Napoli, L. Filice, F. Gagliardi, M. Mazzupappa (2005). Application of incremental

forming process for high customised medical product manufacturing. Journal of Materials Processing

Technology.

G. Hussein, L. Gao and N.U. Dar (2007). An experimental study on some formability evaluation methods

in negative incremental forming. Journal of Materials Processing Technology. Vol. 186, p. 45-53.

GOM (2014). Optical Measuring Techniques. www.gom.com.

H. Amino, Y. Lu, T. Maki, S. Osawa, K. Fukuda (2002). Dieless NC forming, prototype of automotive

service parts. In Proceedings of the 2nd International Conference on Rapid Prototyping and Manufacturing,

Beijing.

K. Nakajima, T. Kikuma and K. Hasuka (1968). Study on the formability of steel sheets. Yawata Technical

Report. Vol. 264, p. 8517-8530.

http://www.gom.com/

Referencias

108

J. Duflou (2006). Production Processes - Cranial plate.

http://www.mech.kuleuven.be/pp/research/SPIF_cranial.en.html.

J. Duflou, J. Dhondt (2007). Applying TRIZ for systematic manufacturing process innovation: The single

point incremental forming case.

J. Jeswiet, D. Young and M. Ham (2005). Non-Traditional Forming Limit Diagrams for Incremental

Forming. Advanced Materials Research, Vol. 6-8, p. 409-416.

J. Jeswiet, F. Micari, G. Hirt, A. Bramley, J. Duflou, J. Allwood (2005). Asymmetric Single Point

Incremental Forming of Sheet Metal. CIRP Annals – Manufacturing Technology, Vol. 54, p. 8-114.

J. Jeswiet, H.E. (2001). Rapid Proto-typing of a headlight with sheet metal. In Proceeding of Shelmet.

P. 165-170.

L. Fillice, L. Fratini and F. Micari (2002). Analysis of materials formability in incremental forming.

CIRP Annals-Manufacturing Technology. Vol. 51, Issue 1, p. 199-202.

L. Fratini, G. Ambrogio, R. Di Lorenzo, L. Filice, F. Micari (2004). Influence of mechanical properties of the

sheet material on formability in single point incremental forming. CIRP Annals. Vol. 53, p. 207-210.

M. Ham, J. Jeswiet (2006). Single point incremental forming and the forming criteria for AA3003. CIRP

Annals. Vol. 55, p. 241-244.

M. Skjoedt, N. Bay, B. Endelt and G. Ingarrao (2008). Multi-stage strategies for single point incremental

forming of a cup. In 11th ESAFORM conference on metal forming - ESAFORM2008.

OTEA (2012). Observatorio Tecnológico del Metal del Instituto Tecnológico Metalmecánico AIMME.

Conformado de chapa sin matriz (ISF).

P.A.F. Martins, N. Bay, M. Skjoedt, M.B. Silva (2008). Theory of single point incremental forming. CIRP

Annals – Manufacturing Technology. Vol 57, p. 247-252.

P. Eyckens, A. Van Bael and P. Van Houtte (2008). An extended Merciniak-Kuczynski forming limit model

to assess the influence of throughthickness shear on formability.

Raed Z. Hasan, Brad L. Kinsey and Igor Tsukrov (2011). Effect of Element Types on Failure Prediction

Using a Stress-Based Forming Limit Curve.

S. Tanaka, T. Nakamura, K. Hayakawa, H. Nakamura, K. Motomura (2005). Incremental Sheet Metal

Forming Process for Pure Titanium Denture Plate. Proceedings of the 8th International Conference on

Technology of Plasticity – ICTP. P.135-136.

109 Diseño y modelado mediante CATIA V5 de operaciones de conformado incremental de chapa y


Tecnalia (2014). Flexibilidad y bajo coste para la transformación de chapa.

http://www.interempresas.net/Deformacion-y-chapa/Articulos/120862-Flexibilidad-y-bajo-coste-para-la-

transformacion-de-chapa.html .

W.C. Emmens (2011). Formability: A Review of Parameters and Processes that Control, Limit or Enhance

the Formability of Sheet Metal. Ed. Springer.

William F. Hosford, Robert M. Caddell (2007). Metal forming: Mechanics and Metallurgy. Third Edition.

Cambridge University.

Z. Marciniak and K. Kuczynski (1967). Limit strains in the processes of stretch-forming sheet metals.

International Journal of Mechanics Sciences. Vol. 9, p. 609-620.

Zongwei Luo (2014). Smart manufacturing innovation and transformation: Interconnection and

intelligence. Chapter 7: Towards Smart Manufacturing Techniques Using Incremental Sheet Forming. The

University of Hong Kong, China.

http://www.interempresas.net/Deformacion-y-chapa/Articulos/120862-Flexibilidad-y-bajo-coste-para-la-transformacion-de-chapa.html

http://www.interempresas.net/Deformacion-y-chapa/Articulos/120862-Flexibilidad-y-bajo-coste-para-la-transformacion-de-chapa.html

Referencias

110

111

ANEXO A VALORES DE LAS DEFORMACIONES

En el presente anexo se muestran los resultados de las deformaciones mayores y menores

proporcionadas por ARGUS® y los valores añadidos de las mediciones tomadas con el microscopio para cada

una de las cinco piezas obtenidas mediante el proceso SPIF.

A.1. Chapa con forma de cono con cinco lóbulos

A continuación se muestran las mediciones tomadas con el microscopio.

Sección ‘Centro de lóbulo’:

Nº elipse ε1 ε2

1 0.16254393 0.05713619

2 0.18023605 0.03014116

3 0.61361684 0.02975296

4 0.65336631 0.04783733

5 1.03240126 0.15477905

6 0.9449948 0.16805358

7 0.89580227 0.06765865

8 0.90648279 0.07936556

9 0.82973016 0.05202303

10 0.76556086 0.10065948

11 0.72663031 0.04152575

12 0.71299883 0.01133551

13 0.71900984 0.08819401

14 0.67477952 0.05439348

15 0.69549442 0.0556239

16 0.58333231 0.04420825

17 0.62775496 0.09993583

18 0.64762667 0.01133551

19 0.58928554 0.11546925

20 0.5826066 0.11493454

Valores de las deformaciones

112

Sección ‘Arista entre lóbulos’:

Nº elipse ε1 ε2

1 0.11867153 0.03188619

2 0.13688825 0.02313042

3 0.26811692 0.02479017

4 0.34081991 0.013607

5 0.43028779 0.01695544

6 0.49090859 0.04325104

7 0.59536896 -0.00340579

8 0.51670829 -0.07106645

9 0.70260234 -0.10669474

10 0.73534423 -0.06368555

11 0.6677268 -0.02050888

12 0.65274177 -0.1812821

13 0.63906051 -0.07806966

14 0.65518567 -0.11406496

15 0.66936665 -0.06443186

16 0.70012279 -0.05879505

17 0.61296696 -0.15152081

18 0.55227462 -0.0621946

19 0.64589833 -0.00551518

20 0.59133591 -0.19297814

21 0.56514334 -0.21467947

22 0.58494931 -0.04395189

23 0.60579029 -0.25915941

24 0.60322247 -0.24219896

25 0.57711885 -0.11642146

26 0.61063476 -0.24219896

113 Diseño y modelado mediante CATIA V5 de operaciones de conformado incremental de chapa y


A.2. Chapa con forma toroidal con pendiente de ángulo variable

A continuación se muestran los resultados proporcionados con ARGUS® y los valores añadidos de las

mediciones tomadas con el microscopio.

Resultados proporcionados por ARGUS®:

Nº elipse ε1 ε2

1 0.326793551 0.055935975

2 0.326793551 0.055935975

3 0.782758534 0.119553007

4 0.782758534 0.119553007

5 0.755794644 0.116640821

6 0.633653581 0.094746456

7 0.604592621 0.090066992

8 0.519935131 0.078204475

9 0.509314597 0.074087396

10 0.452312589 0.06064016

11 0.444132268 0.059769109

12 0.382505178 0.060711045

13 0.370211929 0.060905755

14 0.314406633 0.05118984

15 0.302204758 0.049065393

16 0.260062814 0.041728709

17 0.2418762 0.042261537

18 0.195379123 0.044144426

19 0.175018966 0.043353286

20 0.143252179 0.039067712

21 0.140311301 0.035799496

22 0.135340706 0.032726176

23 0.126900464 0.030707661

24 0.11756435 0.029850261

25 0.100361012 0.023137158

26 0.095794551 0.02251452

27 0.085428223 0.024252283

28 0.081071451 0.025919961

29 0.070124045 0.029266406

30 0.068210647 0.028460048

31 0.057314921 0.027482936

32 0.056840487 0.027589506

33 0.052072074 0.02519398

34 0.051579993 0.024626134

Medidas tomadas al microscopio:

Nº elipse ε1 ε2

35 0.941412521 0.113596507

36 1.107241615 0.179066264

37 0.936171787 0.138543809

38 1.13172464 0.173112618

39 1.041195018 0.143320819

40 1.037162326 0.148592404

41 0.978664411 0.161268148

Valores de las deformaciones

114

A.3. Chapa con forma de cono

Cono 64° de pendiente:

A continuación se muestran los resultados proporcionados con ARGUS®.

Nº elipse ε1 ε2

1 0.02601275 0.00590237

2 0.03764543 0.01380266

3 0.04645902 0.02155991

4 0.08209682 0.02028291

5 0.09751616 0.02009226

6 0.13047385 0.02009005

7 0.25009453 0.02311696

8 0.25828394 0.02330408

9 0.43663347 0.03534018

10 0.57480246 0.03521878

11 0.65497273 0.03310527

12 0.83831394 0.02057116

13 0.85473931 0.02481418

14 0.87840056 0.04278381

15 0.88461721 0.05379657

16 0.88186485 0.06092855

17 0.85824215 0.05868397

18 0.84759063 0.05370103

19 0.82136375 0.04066002

20 0.81949312 0.03960003

21 0.81797993 0.02880405

22 0.81803423 0.02868484

23 0.81960821 0.04060541

24 0.81977218 0.04127252

25 0.81848961 0.04038083

26 0.8173458 0.03812297

27 0.83327198 0.03411125

28 0.83640385 0.03455253

29 0.83905351 0.03150531

30 0.84252137 0.02353283

31 0.82586211 0.05138115

32 0.8151747 0.07081382

33 0.81140029 0.08596017

34 0.81867331 0.09405241

35 0.82288891 0.08691515

36 0.83118558 0.06402363

37 0.83124715 0.05851552

38 0.82499284 0.03174211

39 0.82159567 0.03139217

40 0.81859219 0.0447108

41 0.82728463 0.04901678

42 0.8427853 0.0474649

43 0.83453286 0.04059412

44 0.8245033 0.04042144

45 0.79458308 0.03990629

46 0.80482626 0.11973736

47 0.80485052 0.12035392

48 0.77352774 0.14493594

49 0.76826906 0.14906292

50 0.7373879 0.17516454

51 0.58623684 0.18146935

52 0.5361768 0.18142976

53 0.43949419 0.18022469

54 0.34321863 0.15298075

55 0.24763492 0.12694098

56 0.17030528 0.08868296

57 0.09280811 0.05043786

115 Diseño y modelado mediante CATIA V5 de operaciones de conformado incremental de chapa

y aplicación práctica en ensayos de laboratorio


A continuación se muestran los resultados proporcionados con ARGUS® y los valores añadidos

de las mediciones tomadas con el microscopio.


Nº elipse ε1 ε2

1 0.02872534 0.00214365

2 0.03523289 0.00724455

3 0.06152099 0.01958273

4 0.07041691 0.01951791

5 0.11785403 0.02117275

6 0.1764822 0.0240717

7 0.21145958 0.02598188

8 0.45958856 0.03603531

9 0.48930243 0.0367253

10 0.67226189 0.04003396

11 0.67226189 0.04003396


Nº elipse ε1 ε2

12 1.01352633 0.06672363

13 1.02187522 0.09358141

14 0.99554544 0.12000279

15 1.0170768 0.03854741

16 0.9585453 0.06634938

17 0.96626115 0.08553529

18 0.96565216 0.08470873

19 0.92457631 0.05723063

20 1.02929794 0.06672363

21 0.99543457 0.07547846

22 0.95919695 0.0865446

23 1.01160091 0.05135829

24 0.96664158 0.04008572

25 0.93577958 0.17083922

26 0.96633725 0.13775994

27 0.92628067 0.04783733

28 0.9472854 0.07696104

29 0.90097403 0.0478373

30 0.99258488 0.111273

31 0.98946684 0.10336853

32 0.92445729 0.09367248

33 0.97414446 0.05723063

34 0.98125416 0.01950847

35 1.03118961 0.08452496

36 0.99576713 0.11154137

37 0.9513 0.15469339

38 0.97704711 0.05826891

39 0.4244177 0.18805509

40 0.32439966 0.15777268

116 Valores de las deformaciones



de las mediciones tomadas con el microscopio.


Nº elipse ε1 ε2

1 0.03631243 0.01390188

2 0.05622909 0.01928784

3 0.06493495 0.02116787

4 0.07824101 0.02354507

5 0.16860934 0.03301459

6 0.22687946 0.03844451

7 0.27810532 0.04126278

8 0.47822797 0.04741676

9 0.70936853 0.05828756

10 0.70936853 0.05828756

11 0.46305955 0.06127396

12 0.46305955 0.06127396

13 0.33303493 0.0355222

14 0.32700735 0.03447824

15 0.18108919 0.00535787

16 0.1517051 0.00284068


Nº elipse ε1 ε2

17 1.10938736 0.11136247

18 1.10525683 0.11118353



A.4. Chapa con forma piramidal con pendiente de ángulo variable


de las mediciones tomadas con el microscopio para cada una de las secciones.

Sección ‘Centro de cara’:


Nº elipse ε1 ε2

1 0.130137399 0.003367731

2 0.261355251 0.004482124

3 0.392984241 0.005551466

4 0.39302364 0.005740115

5 0.599707782 0.003547057

6 0.599812746 0.003842016

7 0.528507173 0.000893034

8 0.456989318 -0.002254799

9 0.4008964 -0.003298521

10 0.34479624 -0.004611741

11 0.335973233 -0.004506377

12 0.303535193 -0.004113555

13 0.262343824 -0.003374582

14 0.243864477 -0.002546868

15 0.227355942 -0.001801371

16 0.192415208 -0.000188907

17 0.176878959 0.002467956

18 0.161336169 0.005035998

19 0.147991762 0.004643983

20 0.134660259 0.004308712

21 0.118634976 0.001903932

22 0.102569059 -0.000434612

23 0.097004749 0.000115084

24 0.091458865 0.000642411

25 0.082445808 0.000259136

26 0.073454961 -0.000235964

27 0.065496936 0.000123614

28 0.057553325 0.000440597

29 0.049626663 0.001685854

30 0.041685738 0.002943204

31 0.041200686 0.003467771

32 0.040692613 0.004083992

33 0.042766411 0.003443394

34 0.044795103 0.002852178

35 0.033705074 0.002103085

36 0.02268259 0.001254264


Nº elipse ε1 ε2

37 1.083600169 0.002644717

38 1.077899247 0.008130345

39 0.780608456 0.005760831

40 0.780058553 0.006803241

41 0.626633377 0.006335032

42 0.590837562 0.00419094


Sección ‘Cuarto de cara’:


Nº elipse ε1 ε2

1 0.191051573 0.045399275

2 0.319439411 0.053108927

3 0.489721835 0.059847683

4 0.67355299 0.066522837

5 0.857384086 0.073197983

6 0.811869144 0.055837892

7 0.766354144 0.038477797

8 0.661783576 0.019356947

9 0.582451582 0.004987891

10 0.525464237 0.007504938

11 0.468818456 0.01033238

12 0.39371407 0.010467703

13 0.318058342 0.010530334

14 0.283083707 0.006345849

15 0.248282552 0.00194671

16 0.226414889 0.000728267

17 0.204533413 -0.000506088

18 0.178993106 -0.000343479

19 0.15350908 -0.00017363

20 0.143897504 0.001739635

21 0.134249672 0.003672729

22 0.119334593 0.003455864

23 0.104371667 0.003187226

24 0.096674435 0.002043087

25 0.08899118 0.000917692

26 0.079586871 0.001923573

27 0.070219234 0.002852237

28 0.06232829 0.002687043

29 0.054366831 0.002407829

30 0.050070331 0.000107652

31 0.045891885 -0.00198156

32 0.04276051 -0.002766504

33 0.03954906 -0.003588758

34 0.040314958 -0.003081608

35 0.041017611 -0.002647334



Sección ‘Arista de cara’:


Nº elipse ε1 ε2

1 0.194415659 0.046797555

2 0.194798455 0.046995707

3 0.236396298 0.079928055

4 0.490065366 0.247520745

5 0.451831311 0.276741475

6 0.443634897 0.281763554

7 0.389150798 0.26956895

8 0.381620646 0.260969847

9 0.335095435 0.246619374

10 0.322871149 0.249369115

11 0.322027057 0.260997355

12 0.325462371 0.253657341

13 0.317505687 0.219904363

14 0.31468457 0.218028992

15 0.281371146 0.138969168

16 0.281063139 0.135669619

17 0.271392554 0.120121472

18 0.269715458 0.121956639

19 0.258298129 0.149206877

20 0.256926388 0.147028983

21 0.241832152 0.137071759

22 0.240424007 0.137078881

23 0.220555499 0.118156306

24 0.220015153 0.115697913

25 0.213363111 0.096190438

26 0.213085517 0.095886171

27 0.204278395 0.089336276

28 0.204197794 0.089234471

29 0.197540596 0.0838762

30 0.19690603 0.083531827

31 0.186031803 0.075620145

32 0.185865238 0.075218685

33 0.172778174 0.067470469

34 0.169476315 0.066850238

35 0.154310957 0.067470275

36 0.152935982 0.068386398

37 0.141170755 0.060792614

38 0.136184558 0.057342999

39 0.123411849 0.047727089

40 0.121188775 0.045741536

41 0.112890542 0.039353732

42 0.108766854 0.036637452

43 0.10121426 0.032843337

44 0.09867017 0.032333784

45 0.09256272 0.031732507

46 0.086681582 0.029482991

47 0.079563104 0.026020145

48 0.075449683 0.023286462

49 0.067908026 0.018920712

50 0.061212897 0.016614875

51 0.056453329 0.014994715

52 0.052476104 0.013682719

53 0.04958285 0.013357231

54 0.047056243 0.01272881

55 0.045690011 0.012558542


Nº elipse ε1 ε2

56 0.6 0.34861253


A.5. Chapa con forma de cruz


de las mediciones tomadas con el microscopio para cada una de las secciones.

Sección ‘Cara exterior’:


Nº elipse ε1 ε2

1 0.04827297 0.0067073

2 0.18414988 0.01003397

3 0.31986985 0.01332512

4 0.54110289 0.01700644

5 0.7657938 0.01990387

6 0.76913858 0.01913952

7 0.70517963 0.01694862

8 0.36915779 0.24681406

9 0.36915779 0.24681406

10 0.36930677 0.24728791

11 0.345586 0.24325275

12 0.32358339 0.23142982

13 0.32358339 0.23142982


Nº elipse ε1 ε2

14 0.85564861 0.04859967

15 0.83164746 0.06653652

16 0.80531448 0.09273708

17 0.77 0.11

18 0.71 0.13

19 0.648359 0.14583045

20 0.55955864 0.17201866

21 0.41877612 0.22449066



Sección ‘Arista exterior’:


Nº elipse ε1 ε2

1 0.3516002 0.11065243

2 0.33881798 0.11249933

3 0.32862666 0.12041635

4 0.31206209 0.1659622

5 0.32531449 0.19495511

6 0.33809248 0.21868978

7 0.35476321 0.24834748

8 0.36353007 0.25055116

9 0.39026985 0.23995866

10 0.3931798 0.24054702

11 0.4056986 0.25953165

12 0.40680704 0.26000562

13 0.42542073 0.21857905

14 0.42858577 0.20358388

15 0.42653048 0.19196928

16 0.44410232 0.18160452

17 0.45682824 0.18113773

18 0.51952732 0.19413717

19 0.51984906 0.19426113

20 0.51009417 0.24394152

21 0.49784106 0.28058329

22 0.47467893 0.28511885

23 0.45281932 0.23139173

24 0.41117537 0.1594035

25 0.40419647 0.15061073

26 0.34509832 0.12798072

27 0.34384483 0.12815291

28 0.26640859 0.12860513

29 0.25312725 0.12786128

30 0.18403201 0.08526874

31 0.16896479 0.06711154

32 0.12953085 0.02112593

33 0.10727745 -0.00379421

34 0.07634388 -0.04036851

35 0.06553278 -0.04189728

36 0.05828833 -0.04322182

37 0.0360337 -0.04803356

38 0.03424875 -0.04807302

39 0.02077265 -0.03586641

40 0.01784917 -0.03272542

41 0.01216567 -0.02533242

42 0.01348854 -0.01803053

43 0.01130125 -0.01481063


Sección ‘Cara interior’:


Nº elipse ε1 ε2

1 0.29605475 0.06546392

2 0.31514305 0.06156283

3 0.33943319 0.05737182

4 0.38566774 0.05020516

5 0.43249163 0.03869731

6 0.47783744 0.0239714

7 0.47139564 0.01360305

8 0.46497133 0.00429257

9 0.45583013 -0.00391049

10 0.44815099 -0.01090684

11 0.43173191 -0.02688114

12 0.39181393 -0.03763857

13 0.35021973 -0.04944447

14 0.25487208 -0.04673327

15 0.16131268 -0.04220221

16 0.10798375 -0.03412144

17 0.05398378 -0.02498043

18 0.03869366 -0.03075287

19 0.02366718 -0.03734984

20 0.01735289 -0.03052227

21 0.01495681 -0.02814669



Sección ‘Arista interior’:


Nº elipse ε1 ε2

1 0.00981651 -0.02348418

2 0.0162282 -0.02592346

3 0.01810479 -0.02853275

4 0.01485606 -0.03085354

5 0.01281383 -0.03244939

6 0.01229639 -0.03308199

7 0.01106114 -0.03357936

8 0.01126432 -0.03079825

9 0.01073668 -0.02884306

10 0.00939434 -0.02738342

11 0.01010981 -0.02340017

12 0.01304828 -0.02014046

13 0.0156209 -0.0176733

14 0.02005181 -0.01382951

15 0.01997017 -0.01331349

16 0.01337925 -0.01307816

17 0.01008644 -0.01292958

18 0.00410774 -0.01257888

19 0.00119143 -0.01423086

20 -0.0018521 -0.01577366

21 -0.00176975 -0.01598486

22 0.00197737 -0.01547293

23 0.00442863 -0.01244399

24 0.00571943 -0.0108887

25 0.00610962 -0.01077323

26 0.00756384 -0.0116417

27 0.00711185 -0.01272868

28 0.00770915 -0.0159001

29 0.00782938 -0.01621209

30 0.00996681 -0.01972662

31 0.01018104 -0.01989266

32 0.01355405 -0.02351813

33 0.01363109 -0.02356729

34 0.01835276 -0.02512184

35 0.01872433 -0.02560049

36 0.02427435 -0.03321533

37 0.02469063 -0.03376953

38 0.02896854 -0.03915862

39 0.03200477 -0.03882781

40 0.06900733 -0.03692582

41 0.07707501 -0.03713762

42 0.11419652 -0.04063052

43 0.12582824 -0.04036472

44 0.16779535 -0.05389735

45 0.18512107 -0.061195

46 0.21932702 -0.0796807

47 0.24590467 -0.09629385

48 0.30383039 -0.11287911

49 0.33195987 -0.13069093

50 0.35950053 -0.16284896

51 0.37555707 -0.16911489

52 0.39564541 -0.15631062

53 0.41293398 -0.14452711

54 0.41745159 -0.14085136

55 0.43259192 -0.15703546

56 0.44359213 -0.15784434

57 0.45711806 -0.16291

58 0.45891339 -0.16597804

59 0.43556386 -0.14375114

60 0.41441175 -0.13166045

61 0.34831372 -0.08807367

62 0.31890309 -0.06823121

63 0.25374213 -0.01629095

64 0.19918078 -0.00962748

65 0.13581948 -0.00541151

66 0.05674064 -0.00537707

67 0.03629138 -0.00822807

68 0.0251383 -0.00508672

69 0.0247811 -0.00508657

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