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Departamento de Ingeniería Mecánica de la UPV-EHUArea de Conocimiento de la Ingeniería de los Proces os de Fabricación

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Tema 17: Conformado de chapa


ÍNDICE

• Fundamentos:

− Características de los productos de chapa

− Comportamiento de la chapa ante la deformación

• Operaciones

− Corte

− Doblado

− Embutición

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FUNDAMENTOSPR

OC

ESO

S D

E FA

BRIC

ACIÓ

N M

ETAL

-MEC

ÁNIC

A A partir de metal líquido

A partir de polvos metálicos

A partir de una preforma metálica

Unión de elementos metálicos

Moldeo

Sinterizado

Conformado

Soldadura

Por deformación plástica

Por arranque de material

Mecanizado por arranque de viruta

Procesos abrasivos

Métodos de mecanizado no convencionales

Forja

Procesos continuos (laminación, extrusión, etc.)

Conformado de chapa

Moldeo en arena

Moldeo con molde permanente


FUNDAMENTOS

El conformado de chapa es un proceso que consiste en hacer piezas de geometría compleja a partir dechapas planas. Se trata de un proceso con un gran número de aplicaciones en automoción, industriaaeronáutica, ferroviaria, del hogar, etc.

Las principales características del proceso son las siguientes:

• No presenta arranque de viruta con lo que elaprovechamiento del material es máximo

• Al ser un proceso de deformación plástica seproduce un fibrado del material y por lo tanto unamejora de las propiedades mecánicas del mismo

• Evita la aparición de vibraciones que se darían en elcaso de el mecanizado de paredes delgadas

• Es especialmente adecuado para largas tiradas depiezas

• El coste de los utillajes es relativamente elevado

• Permite hacer una gran variedad de piezas

Las industrias del AUTOMÓVIL, ENVASES y ELECTRODOMÉSTICOS son grandes usuarios de los

procesos de conformado de chapa4


FUNDAMENTOS. Características de los productos de chapa

Una chapa es un producto en le cual una de sus dimensiones es muy pequeña comparada con las otras dos.La anchura mínima para que pueda ser considerada chapa ha de ser 600mm. Según su espesor se puedenencontrar chapa finas (e<3mm) y chapas gruesas (e>3mm).

Se trata de un producto que se obtiene mayoritariamente por laminación. Existen productos que sin serconsiderados chapa, están muy relacionados con la misma como son la banda (producto plano laminado encaliente y suministrado en forma de bobina) y el fleje (banda cuya anchura de laminación es < 600mm).

Las principales características de los productos de chapa son las siguientes:

• Presentan formas complejas con excelentesacabados superficiales.

• Se trata de piezas de una elevada relaciónrigidez/peso.

• Se trata de piezas con altas tasas deproductividad.

• Solamente se justifican SERIES LARGAS.

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FUNDAMENTOS. Características de los productos de chapa

Los materiales más comúnmente utilizados en conformado de chapa son los siguientes:

• Aceros al carbono: el más frecuente por su ductilidad

− espesor ≈ 1,5mm: carrocerías de automóvil, electrodomésticos,…

− espesor hasta 12,5mm: llantas, recipientes a presión, blindajes,…

• Aluminio: aeronáutica y automóvil de gama alta.

• Aceros inoxidables: menaje y recipientes.

• Aceros de alto límite elástico: respuesta de los aceristas al creciente uso del aluminio en carrocerías.

• Otros materiales (cobre, magnesio, titanio,…)

EJEMPLO: Porcentaje de piezas de chapadel VW Passat en función del límite elásticodel material:

- 18% < 140 MPa- 30% entre 180-240 MPa- 25% entre 240-300 MPa- 12% entre 300-420 MPa- 15% > 1000 MPa

Datos de 2006: se

espera que este grupo

aumente su porcentaje

hasta el 50% en los

próximos años

La industria del automóvil trabaja en el desarrollo de

nuevos materiales para piezas de chapa con objeto de reducir

el peso del vehículo, y por tanto, su consumo

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FUNDAMENTOS. Comportamiento de la chapa ante la deformación

Las propiedades mecánicas de la chapa vienen determinadas por los procesos previos de transformación(laminación y tratamientos térmicos fundamentalmente) a los que haya sido sometida. Teniendo esto encuenta, en la chapa que va a ser conformada, las dos características más importantes son las siguientes:

• Anisotropía: las propiedades mecánicas no soniguales en todas las direcciones comoconsecuencia de la recristalización direccionaldurante la laminación.

• Estados tensionales: los estados tensionales(tensiones internas residuales) pueden servariables a lo largo de toda la pieza. Este hechodependerá en gran medida de los tratamientostérmicos que haya sufrido la chapa.

La anisotropía puede provocar flujos de material diferentes en las diferentes direcciones durante el

conformado. En el ejemplo, una copa correctamente embutida (izquierda) y defectuosa (drcha) como

consecuencia de la anisotropía

Evolución de los estados tensionales en una operación de deformación de chapa 7


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Tipos de conformado de chapa en función de la temperatura:

� En frío:• Como en la mayoría de procesos de conformado plástico de metales, se realiza a una temperatura

menor que la de recristalización• Es el tipo de conformado de chapa más habitual, sus principales aplicaciones son aceros de bajo

contenido en carbono y chapas de bajo espesor

� En caliente:• Como en la mayoría de procesos de conformado plástico de metales, se lleva a cabo a una

temperatura mayor que la de recristalización.• Es un proceso de gran interés en aceros de alto límite elástico: reduce el límite elástico, aumenta la

ductilidad y reduce la recuperación elástica• También se utiliza en chapas de alto espesor• Hay que controlar perfectamente el calentamiento y enfriamiento de la chapa así como la

temperatura que alcance debido a los posibles cambios metalúrgicos que se den en la misma.

FUNDAMENTOS

Se fabrican en estampación en caliente de chapa refuerzos de puerta, parachoques, refuerzos de montantes y piezas de alta

resistencia en general


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OPERACIONES

Una chapa, durante su proceso de conformado puede sufrir diversos tipos de operaciones en función de sugeometría final. Estas operaciones se pueden dividir en tres grandes grupos:

Generalmente pocas piezas en la industria sufren únicamente un tipo de operación y la pieza resultante sueleser combinación de todas ellas, llegándose a conseguir piezas realmente complejas desde el punto de vistageométrico.

Corte Doblado Embutición

Pieza del motor de un coche en la que se puede apreciar la complejidad de las operaciones de conformado de chapa llevadas a cabo


OPERACIONES. Corte

El proceso de corte consiste en la separación completa de una parte del material de la chapa. El contornoseparado puede ser cerrado o abierto. A nivel industrial los métodos de corte de chapa más utilizados son lossiguientes:

• Punzonado y cizallado: el material se cizalla por efecto del contacto de la chapa con el conjuntopunzón-matriz

• Corte por Láser: en este caso un haz de luz de alta densidad de energía provoca la fusión del materialcon el consiguiente corte de la chapa.

Corte de chapa por láser

Punzón

Matriz

Chapa

PisadorMatriz y

Punzón

Pisador

Troquel de corte para la fabricación de una arandela

Pieza

final

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Placa

Matriz

Pisador Punzón

Placa

Matriz

Pisador Punzón

Placa

Matriz

Pisador Punzón

Placa

Matriz

Pisador Punzón

1

2

3

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OPERACIONES. Corte

Punzonado y cizallado

En este caso, la chapa es apoyada sobre la matriz antes de efectuar el corte. A continuación el punzón lagolpea produciendo su corte debido al esfuerzo generado entre los bordes de punzón y matriz. Se puedendistinguir dos procesos:

� punzonado (contorno cerrado).� cizallado (contorno abierto).

En el caso del punzonado, la forma del agujero viene determinada por el punzón y la matriz.


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OPERACIONES. Corte

Punzonado y cizallado

El acabado de los bordes de la nueva pieza creada es función (entre otros factores) de la holgura entrepunzón y matriz. A mayor holgura, peor acabado superficial. Otros parámetros importantes en este sentidoson: material de la chapa, lubricación y velocidad de bajada del punzón.

Placa

Matriz

Pisador Punzón

Micro-fotografía de un borde dechapa punzonado, se aprecianlas zonas bruñida y fracturada

Valores orientativos del juego entre matriz y punzón:


OPERACIONES. Doblado

Este proceso consiste en doblar una chapa a lo largo de una línea definida. Como se puede ver en la figura,la chapa es apoyada sobre la matriz inferior, y por la acción de la matriz superior (o punzón) la chapa sedobla un ángulo determinado. Los parámetros más importantes del proceso son el espesor de la chapa, elángulo de doblado y el radio de doblado.

Pisador

Matriz inferior

Matriz superior

Pieza

Pisador

Matriz inferior

Matriz superior

Pieza

Pisador

Matriz inferior

Matriz superior

Pieza

Con este proceso normalmente no se suelen obtener piezas finales,de tal manera que el doblado puede ser:

• Una operación parte de un troquel más complejo queincorpore otras operaciones de punzonado y embutición.

• Una operación aparte que se realiza en máquinas específicasdenominadas PLEGADORAS.

• También son posibles otras configuraciones de doblado, comoel doblado de tubos o el doblado con rodillos.

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Se trata de una máquina de Control Numérico que permite programar y llevar a cabo de forma automática operaciones

de doblado


Plegado

Es un proceso dentro del doblado con algunas particularidades geométricas diferentes al proceso de doblado“tipo” como se puede apreciar en las ilustraciones de la transparencia.

Punzón

Matriz

Chapa

Estructura

Cilindro hidráulico


A la hora de analizar y diseñar un proceso de doblado hay que tener en cuenta varios aspectos muyimportantes:

Análisis de la operación de doblado

• Recuperación elástica o “springback”:

Aparece un momento recuperador debido a que la chapa trabaja enla zona elástica. La recuperación es tanto mayor cuanto mayor es elmódulo elástico de la chapa. Es difícil saberlo a priori (se puedeintentar prever mediante simulación numérica o ensayos previos).Soluciones: sobre-flexionar la chapa y trabajar en caliente

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Valores de sobreflexión de la chapa para compensar el “springback” en diferentes materiales



• Radio mínimo de doblado:

En el doblado, las fibras más externas de la chapa trabajan a tracción, si la tensión originada esexcesiva se puede superar la tensión de rotura del material con lo que aparecerían grietas en la zonadoblada. La tensión originada en la chapa va a depender fundamentalmente del radio del doblado. Suvalor mínimo dependerá de: el material de la chapa y su espesor


EJEMPLO: radio mínimo del acero de bajo contenido en carbono, sin tratamiento térmico: R=0,5T

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Tabla que permite calcular el radio mínimo de doblado para diferentes materiales. Se recomienda, no obstante, que para

evitar problemas, el radio de doblado no sea inferior al espesor de la chapa.



• Presión del pisador:La función del pisador en el doblado es, básicamente, mantener la chapa inmóvil mientras se lleva acabo el proceso. Un defecto muy típico en este tipo de piezas es el producido por un despegue de lachapa y la matriz debido a una fuerza de apriete excesiva.La fuerza que tiene que ejercer el pisador se estima en un 40% de la fuerza de doblado, aunquenormalmente requiere ajuste por pruebas


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Defecto típico en el doblado cuando no se ajusta de manera correcta la fuerza del pisador


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OPERACIONES. Embutición

La embutición es un proceso de conformación en el que, a partir de chapa laminada plana en banda continuao en diferentes formas previamente preparadas, se obtiene un cuerpo hueco. En este caso la matriz superior(o punzón) incide sobre la inferior, ambas tendrán una forma similar de tal manera que la chapa se queda“impresa” en entre ambas.

Permite ajustar considerablemente los precios de fabricación al hacer posible el acabado de piezas con unmínimo de operaciones. Sin embargo, el coste de las herramientas (troquel) y de las máquinas (prensa) eselevado.

1. 2. 3. 4.


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Es la operación más compleja de las que existen en conformado de chapa debido a que se producen grandesdeformaciones en la chapa con estados tensionales variables y muy complejos, se requieren grandesfuerzas, lo que provoca desgastes y deformaciones en los troqueles y, por último, requiere un importanteesfuerzo experimental de puesta a punto (prueba-error).

Ejemplos de productos de chapa obtenidos por embutición: Carrocería y otras piezas de automóvil,depósitos, recipientes, menaje de cocina, etc.

En ocasiones los procesos de embutición y otros en conformado de chapa se realizan en diferentes

etapas como es el caso de esta pieza

El menaje de cocina es un campo de aplicación típico de la embutición


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Análisis de la operación de embutición. Concepto de reducción, nº de etapas

Las operaciones de embutición pueden hacerse en una sola etapa hasta cierto límite. Dicho límite se sitúamás o menos cuando la altura de la copa que quiere ser embutida es mayor que su diámetro. Las etapas sedefinen a partir de unos porcentajes de reducción recomendados. Una reducción excesiva daría lugar agrietas en la pieza embutida.

El concepto de reducción es el siguiente:

Las reducciones recomendadas a nivel general son las siguientes:

d

dDR

−⋅= 100R: Reducción (%)D: Diámetro de partidad: Diámetro final del producto

Etapa Reducción

1ª Etapa 40-50%

2ª Etapa 30%

3ª Etapa y sucesivas 15-20%

*Existen fórmulas semiempíricas y software de simulación del proceso que permiten calcular estos porcentajes de manera más precisa en

caso de que el proceso lo requiera

También puede utilizarse el parámetro LDR(límite de embutibilidad) que equivaldría aldiámetro máximo de chapa que puedeembutirse a un determinado diámetro sin quese produzca rotura o grietas:


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Análisis de la operación de embutición. Parámetros complementarios

• Cálculo de la chapa de partida

Para llevar a cabo el proceso de manera óptima, es necesario calcular las dimensiones de la chapa departida en función de la pieza final a obtener. A la hora de realizar este cálculo se tienen en cuentaaspectos puramente geométricos a pesar de no ser del todo real. Los cálculos se realizan mediantemétodos analíticos, graficos y/o ábacos.

• Velocidad de embutición

La velocidad de embutición interviene de manera directa en el posible desgarro de la pieza,especialmente al inicio de la deformación. En aceros al carbono un valor orientativo puede estar entorno a los 17m/min aunque en condiciones óptimas se puede trabajar a 25m/min.

• Presión del pisador

Las tensiones de compresión que se generan en la embutición pueden provocar pliegues en la chapapudiéndose llegar a producir desgarros en la pieza. Para evitarlo, el pisador aplica una presión a lachapa antes de entrar en la cavidad. La presión del pisador dependerá de la reducción de laembutición, el espesor y propiedades de la chapa, las condiciones de lubricación… Debido a la grancantidad de factores que intervienen, lo habitual es obtener la presión del pisador empíricamente. Unvalor de partida orientativo puede ser del orden de un tercio de la presión de embutición.


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Troquelería BATZProductos para AUTOMOCIÓNLocalización: Igorre (Bizkaia)www.batz.com

MATRICI S. Coop.Productos para AUTOMOCIÓNLocalización: Zamudio (Bizkaia)www.matrici.com

GESTAMP AutomociónProductos para AUTOMOCIÓNLocalización: Abadiño, con plantas en todo el mundowww.gestamp.com

Estampaciones RUBI Productos para AUTOMOCIÓNLocalización: Vitoria (Álava)www.estampaciones-rubi.com

FAGOR ArrasateFabricación de SISTEMAS LLAVE EN MANO(líneas prensas, sistemas de estampación, líneas de corte,…)Localización: Hernani (Gipuzkoa)www.fagorarrasate.com

ESTAMPACIONES TROKELAN, TROQUELERÍA RONAY, ICT-ICM, TROKENOR…

ICT-ICM diseña y fabrica

utillajes para la estampación

de piezas metálicas para el

sector del automóvil

EMPRESAS Y PRODUCTOS


ÍNDICE

• Fundamentos:

− Características de los productos de chapa

− Comportamiento de la chapa ante la deformación

• Operaciones

− Corte

− Doblado

− Embutición

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Tema 17: Conformado de chapa

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