ÍNDICE • Agradecimientos • La empresa La empresa que nos ha facilitado información sobre sus productos, sus procesos de fabricación y nos abrió amablemente sus puertas fue: Cuya dirección social es la siguiente: Pol. Ind. Los Frailes N−33 Ctra. Alcalá de Henares a Daganzo, Km. 9 Tel. (+34) 91 884 52 50 − Fax: (+34) 91 884 59 82 28814 DAGANZO . Madrid Queremos agradecer, muy especialmente a Que nos mostraron el funcionamiento general de la empresa y nos explicaron y mostraron el proceso de fabricación de la semiabrazadera. • INTRODUCCIÓN • sobre La pieza La pieza elegida para estudiar su proceso de conformado, es una semiabrazadera empleada para la sujeción de tuberías de 10 cm de diámetro. El espesor de la chapa utilizada es de 5 mm. corresponde . La pieza no se corresponde estrictamente a lo especificado en catálogo, (mirar anexos), debe ser una serie bajo pedido. El material utilizado es una acero al carbono A 410 b (mirar apartado 2.3.4 material de la pieza) sin ningún tratamiento térmico posterior. Sin embargo, es habitual que se realice un tratamiento superficial final de granallado con el objetivo de preparar correctamente la superficie para una posterior capa de pintura. La geometría de la chapa y el material, hemos visto que se corresponde con los perfiles rectangulares especificados en la Norma Básica de la Edificación de 1998 (NBE EA−95 Anejo 2.A1 Productos laminados) En la citada norma se describe los productos laminados que se fabrican usualmente para su empleo en estructuras de edificación. Con lo que llegamos a la conclusión, de que este perfil rectangular es de uso común y por tanto de fácil adquisición.

1

(Más detalles sobre la pieza en anexos 5.1) • Sobre la empresa La empresa se ha especializado en la fabricación de soportes para tuberías de gran tamaño, como las utilizadas en centrales térmicas, nucleares y canalizaciones de todo tipo. Al mismo tiempo se diseña y fabrica sistemas de amortiguación para tuberías sometidas a grandes dilataciones o cargas, con el objetivo de proteger la instalación en general (soldaduras, bridas etc...) La empresa consta de 80 empleados repartidos en 3 edificios; uno de los cuales es un hangar−taller dedicado exclusivamente a la producción y almacén de los productos fabricados. En el catálogo de la empresa se puede elegir entre 37 productos distintos, desde abrazaderas, semiabrazaderas, albarcones, soportes de carga variable, soportes con sistemas de rodillo, placas de teflón, placas autolubricadas... entre otros artículos. Además se hace constar que estos productos pueden ser modificados o rediseñados a gusto del cliente. Así, se anuncia la disponibilidad de fabricar todo tipo de : • Soportes de carga variable y constante. • Amortiguadores • Elementos forjados: cáncamos, horquillas, tensores, etc... • Abrazaderas y abarcones • Uniones a viga • Juntas de expansión • Pernos de anclaje • Filtros • Enfriadores de tomas de muestras • Placas deslizantes.

2

Es por todo lo anterior, por lo que su tipo de fabricación es bajo pedido y según se nos ha explicado, su éxito reside en su gran flexibilidad para realizar trabajos especializados, que por otra parte, no serían rentables de realizar por grandes empresas de producción masiva. La maquinaria que se utiliza es 100% convencional, y por lo que hemos podido observar, la calidad depende en gran medida de la habilidad de lo operarios, que llegan a ser en ocasiones operarios−artesanos (posteriormente será discutido). • Sobre las estampas de conformado Debido a que nos centraremos en el proceso de conformado de la semiabrazadera, creemos necesaria una breve descripción del funcionamiento de una estampa y sus componentes principales. • Esquema básico de una estampa Los componentes de los que consta un útil progresivo de corte de chapa en frío se representan en la siguiente figura: Donde: • Punzón • Placa porta punzones . • Placa sujetadora−extractora. Pisador. • Guías de banda. • Matriz • Vástago a sujetar en la parte móvil de la prensa. • Elementos elásticos. Muelles, goma o arandelas. • Guías • Placa portamatrices. • Tornillos y demás accesorios . A continuación se realizará una breve descripción, la función de los distintos componentes, agrupándolos según su funcionalidad: • Elementos principales: punzones y portapunzones, matrices y portamatrices, sufridera, bases inferior y superior. • Elementos accesorios: topes y guías. • Elementos auxiliares: extractores y alimentadores.

Matriz fijada a la base de la prensa

3

• Punzones • Misión Uno de los elementos más característicos y caracterizados en un útil de prensa, es sin lugar a dudas el macho, que es justamente con la placa matriz. el protagonista activo de la consecución del conformado de la chapa, ya sea por efecto del corte, doblado, embutido etc. • Forma En términos convencionales podemos decir que la sección de trabajo de los machos es igual al contorno o forma de la pieza a obtener. El punzón puede ser sujetado al bloque superior de la matriz, de distintas formas, dependiendo principalmente de la precisión requerida y geometría y tamaño del punzón: • Material La calidad del material empleado para la construcción de los diferentes machos y punzones, depende de varios factores, como son: • Misión del elemento • Dimensión del elemento • Existencias en almacén En general lo que se pretende es asegurar la máxima durabilidad de los punzones. El material de construcción mas comúnmente utilizado es el acero F−5227 (X100 CrMoV5) según UNE 36018−2:1994. Otro acero igualmente utilizado es el F520A (X210 CrMoV12) de la misma norma. Las características de estos aceros según norma son: Acero inoxidable aleado X 100 CrMoV 5 −Composición química (%): Elemento

C Si Mn 0.95− 0.10− 0.35− Porcentaje −1.05 0.40 −0.65 Otros elementos % : V: 0.25 −0.45

S 0.020 max

P 0.030 max

Cr

Ni

Mo

4.5−5.5

−−−−

0.95−1.4

− Propiedades mecánicas (%): Propiedad Límite elástico Carga de rotura Alargamiento de rotura Dureza Brinell

Símbolo E R A HB

Valor −− −− −− 62 min

Acero inoxidable aleado X 210 CrMoV 5 − Composición química (%):

4

Elemento

C

Si 0.1− Porcentaje 1.9− 2.2 −0.40 Otros elementos % : V 0.25−0.45

Mn 0.15− 0.45

S 0.020 max

P 0.030 max

Cr 11.0− −13.0

Ni

Mo

−−−−

0.7 1.0

− Propiedades mecánicas (%): Propiedad Límite elástico Carga de rotura Alargamiento de rotura Dureza Rocwell C

Símbolo E R A HRC

Valor −−−− −−−− −−−− 61 min

• Matrices • Misión El otro elemento que materializa la operación de conformado del material es la placa matriz, que juntamente con el macho son las marcas más representativas de un troquel; la omisión de uno u otro elemento imposibilita cualquier operación. Las matrices en principio se hacen de una sola pieza de acero, de forma tronco−cónica, y de sección cuadrada o rectangular. En esta pieza se mecaniza el hueco que exija la estampa. Si la matriz es de gran dimensión, templando las piezas, puede construirse de varias piezas ajustadas sobre una placa base o portamatrices. • Forma y dimensiones La medida del espesor puede ser como mínimo de 30 mm empleándose también mucho las comprendidas desde esta medida basta 40 a 50 mm. Para placas matrices de útiles combinados sirven las mismas consideraciones anteriores relativas a las medidas de ancho y largo. El espesor es sensiblemente diferente pues 1a matriz ha de contener algún otro elemento dadas las características de este tipo de utillaje. Como medidas orientadoras podemos dar las comprendidas entre 70 y 80 mm que dependerán naturalmente de la forma y dimensión del proyecto. • Material Los materiales utilizados para la construcción de la placa matriz, pueden ser iguales que los empleados para la preparación de los machos, valiendo por lo general las mismas consideraciones dadas para ellos. Sin embargo por lo general se le da a los punzones algún punto más de dureza que a la matriz a la hora de tratamiento térmico, pues están sometidos a doble rozamiento con el material en cada fase de trabajo. • Portamatrices A fin de que una matriz pueda desarrollar regularmente su trabajo, debe estar provista de órganos apropiados llamados portamatrices. Los principales motivos por los que es necesario recurrir a estos medios auxiliares son los siguientes: 1.°, necesidad económica de reducir el empleo de los aceros especiales. 2.°, comodidad de poder regular la alineación.

5

3.°, facilidad de cambiar sólo la matriz. En lo que se refiere a la sujeción entre matriz y portamatriz es de uso corriente las siguientes soluciones: • Tornillo prisionero • Mediante anillo cónico. • Mediante ajuste con cola de milano. • Sufridera Su función es la des ser una especie de tapadera a los punzones, con el objetivo de que estos no se claven en la base superior. Se nos presenta este fenómeno cuando se trata de punzones de cabeza reducida y sometidos a fuertes presiones. • Columnas Guía. Su función es la de alinear los bloques superior e inferior del útil. Se puede optar entre dos opciones de sistema de columnas guía: • De rozamiento por deslizamiento • De rozamiento por rodadura • Rozamiento por deslizamiento Existe un rozamiento directo entre las columnas y el conjunto móvil. Con objeto de aumentar la precisión y disminuir el rozamiento es común utilizar casquillos de bronce para guiar las columnas • Rozamiento por rodadura Permite obtener mayores requerimientos de precisión, concentricidad, etc., En principio la ventaja más acusada de este sistema que le hace acreedor de la buena acogida por parte de los técnicos matriceros es la ausencia total de holgura de ajuste, porque el montaje de la columna dentro del casquillo porta bolas se realiza mediante una ligera tensión previa −he aquí el fundamento del sistema−resultando la ausencia total de holgura. • el proceso de fabricación de una semiabrazadera • RECEPCIÓN DE las materias primas La materia prima se compra ya semielaborada en placas de 145 x 50 x 5 mm, sin ningún tipo tratamiento superficial o térmico. Las aristas vienen ya matadas a fin, de facilitar su manipulación por los operarios. Los ensayos para comprobar las características mecánicas del acero suministrado, se comprueban periódicamente por una empresa subcontratada. Por la naturaleza de la pieza, con un ensayo de tracción y de dureza debería bastar para comprobar la calidad del acero suministrado. En lo que ser refiere al control dimensional de la placas suministradas, no existe un procedimiento estandarizado de comprobación de las dimensiones de cada placa. Un único operario es el responsable de la elaboración completa de cada pieza. Además, el operario conoce la geometría y función de la pieza a fabricar, con lo que un control visual final es suficiente para comprobar si existe alguna anomalía en la pieza. • Transporte y almacén 6

El transporte de las materias primas (dentro del hangar) se realiza en carretillas mecánicas pilotadas. El material se transporta en cajas de madera que son apiladas en un almacén. Cada caja lleva consigo una hoja informativa con: nombre del producto, fecha de fabricación y número de piezas contenidas. • FABRICACIÓN La fabricación consta de tres procesos principales: • Conformado en frío de la placa. • Mecanizado de los agujeros en ambas orejas. • Granallado. (opcional) Nos centraremos en el conformado de la placa. Todo el proceso de conformado se realiza en un solo recorrido de la prensa y con un solo útil no progresivo. Básicamente consiste en un primer doblado del arco central y seguidamente un doblado de ambas orejas. • La Prensa La prensa utilizada es una prensa hidráulica de simple efecto de 25 Toneladas. La presión se transmite mediante aceite comprimido gracias a una bomba, acoplada directamente a la máquina. La bomba es una bomba rotativa de émbolos, de alimentación variable, que presenta la característica de conferir a la corredera de la prensa la velocidad máxima cuando la presión es mínima (o nula) y la velocidad mínima cuando la presión es máxima. En otros término; el plato de la prensa desciende rápidamente en vacío sin ejercer ninguna presión; seguidamente, iniciándose el doblado de la chapa previamente puesta sobre la estampa, la velocidad disminuye mientras se desarrolla la presión máxima (que es requerida al principio del doblado). A medida que va disminuyendo la presión requerida, aumenta proporcionalmente la velocidad de trabajo. Terminada la fase útil del doblado, el plato de la prensa retorna hacia la parte superior con una velocidad superior, puesto que sólo necesita la presión para vencer el peso de la estampa y el de la corredera. Además, la bomba ofrece los medios capaces de conferir a la corredera de la prensa varias velocidades que están en función de la presión requerida. En la figura, se representa a modo ilustrativo el esquema básico de una prensa hidráulica de doble efecto. La prensa utilizada para nuestra pieza es de simple efecto, es decir, sólo existe un movimiento del plato superior de la prensa, mientras que en una prensa de doble efecto, ambos platos, superior e inferior, disponen de movimiento. • El útil utilizado Para nuestra sorpresa, no disponían de planos de los útiles utilizados. Un operario (ya con cierta experiencia) se encargaba de la fabricación directa del útil. El taller dispone de una amplia variedad de fresas y tornos convencionales, así como de equipos de soldadura; que son utilizados también para fabricar los utillajes. Esta metodología de trabajo, ciertamente es discutible, debido a que la fábrica se vuelve demasiado dependiente de la habilidad y experiencia de los operarios. El esquema básico de la estampa utilizada es el siguiente:

7

Dos punzones−matrices soldadas directamente sobre la base inferior y superior que a la vez se sujetan a la mesa de la prensa. Los posicionadores son pequeños pilotos soldados a la matriz inferior, con el objeto de situar o centrar la placa a doblar. • Útiles alternativos Con el fin de estandarizar procesos, ahorrar tiempos de preparación, evitar la dependencia de la experiencia de los trabajadores y aumentar la calidad general; vemos recomendable la elaboración de planos de cada útil y su correspondiente clasificación. Además el útil utilizado, aunque eficiente, no deja de ser algo simple. Al estar todo el útil entero soldado la intercambiabilidad de punzones (descrito en la introducción) ya no es posible. En caso de fallo de una parte de la estampa es necesario refabricarla entera de nuevo. Por otra parte, puede que ya se halla considerado la fabricación de una estampa más completa, pero debido a la escasa producción requerida, no resulte ser rentable.. Esta razón es más que probable de ser cierta pero a nuestro juicio, no justifica la no existencia de planos. A continuación se adjunta el plano de un útil de doblado de una pieza de cierto parecido a la semiabrazadera. A simple vista se puede apreciar la diferencia entre el útil utilizado y el propuesto. La utilización de columnas guía, garantizarían el correcto alineamiento de los bloques superior e inferior del útil, además de disminuir los posibles efectos negativos sobre la prensa que puedan producir alineamientos incorrectos, con la consecuente aparición de momentos flectores y esfuerzos que por fatiga reduciría el tiempo útil de la prensa. • El material de la pieza El material utilizado es una acero A410 B. Esta denominación debería estar ya fuera de uso, pero sin embargo, vemos como se sigue utilizando denominaciones antiguas. Buscando la correspondencia de este acero con la normativa actual encontramos el siguiente párrafo en la norma UNE 36−080−85 de aceros no aleados, laminados en caliente, para construcción metálicas; correspondiente 1987: La presente norma UNE es una revisión de las normas UNE−080 partes 1 y 2 de 1978 y parte 4 de 1979.... ...como consecuencia de la adaptación de esta norma a la revisión de la Euronorma EU 25−74 no se han incluido los aceros A 410 (antiguo A 42 ) en sus grados B, C y D definidos en UNE36−080/1 Es por esto, por lo que no es fácil encontrar la designación actual. Sin embargo el mencionado antiguo A 42 sigue utilizándose en la actual Norma Básica de la Edificación (NBE − EA−95) , en donde se recoge: Esta norma, al tratarse de una refundición de las normas MV, mantiene las designaciones de acero A37, A42 y A52 con los grados b, c, y d, para cada uno de ellos no obstante, la designación comercial actual de aceros es la que figura en las normas UNE EN 10 025 y UNE EN 10 210−1

8

Pese a todo, en las normas actuales UNE EN 10 025 y UNE EN 10 210−1, sigue sin aparecer la actual designación del A42, dado a que se ha dejado de utilizar. Es curioso, como un acero como el antiguo A42 está actualmente descatalogado y sin embargo se sigue utilizando y sigue recogido en la NBE EA−95 de 1998, gracias a la cual hemos obtenido su composición química y propiedades mecánicas. A continuación se detallan las propiedades de A42 b entre otros:

9

• Cálculos a realizar Los cálculos necesarios para el diseño de una pieza y útil de doblado son básicamente: • Radios mínimos de doblado. • Recuperación elástica • Longitud de la pieza original • Esfuerzos necesarios. En la empresa, los cálculos relativos al diseño de la pieza, son realizados a partir normas americanas, en las que se fijan los radios de doblado según el material y las solicitaciones requeridas. Los datos anteriores se pueden también calcular mediante fórmulas empíricas: • Radio de doblado El radio mínimo de doblado se calcula mediante la expresión:

Donde B corresponde con la resistencia a tracción en kg/mm2 ; y B el alargamiento a rotura del material absoluto (no en tanto por ciento); s corresponde con el espesor de la chapa. • Recuperación elástica La ecuación que determina la relación entre el radio que se pretende conseguir con la estampa () y el radio que realmente se consigue al final (*) es la siguiente:

Donde B es la tensión de doblado, que depende del material y de la deformación por doblado, E el módulo de elasticidad que a la temperatura ambiente es influida solamente por el material y s el espesor de la chapa.

10

B se puede determinar a base de las curvas de fluencia de los materiales. Como primera aproximación de cálculo se suele utilizar como valor de B, 8/9 la resistencia a tracción en kg/mm2 • Longitud de la pieza original La longitud del corte a medida de la pieza a doblar difiere de la longitud de la fibra situada en medio de la sección transversal después del doblado. La longitud extendida de piezas dobladas se calcula a base de la suma de las longitudes no dobladas y las dobladas. Para estas últimas, según el autor OEHLER KAISER la longitud media de arco Lb en mm es:

En donde ri es el radio interior de doblado, s el espesor de chapa en mm, ð el ángulo de doblado circunscrito por los lados rectos y e, un factor de corrección que hay que tomar del siguiente cuadro: ri/s e

5 1

3 0.9

2 0.8

1.2 0.7

0.8 0.6

0.5 0.5

• Esfuerzos necesarios. Al doblar ángulos rectos, la fuerza de doblado Pb necesaria para la transformación depende de la envergadura w de la herramienta, dado que esta es la que determina el momento de flexión. Por el contrario, la dimensión del radio de doblado es de orden secundario, en el supuesto de que con arreglo a ella se haya escogido correctamente la envergadura w de la estampa− Para el cálculo del momento de flexión Mb rige la ecuación: Mb = B ð Wb donde B significa la tensión de doblado, y se puede calcular a base de la curva de fluencia de los materiales. Wb significa el momento resistente y en el doblado de chapas es:

si con s se designa el espesor de chapa y con b la anchura doblada de la pieza. Se obtiene así para el momento de flexión:

Cuando se usa una herramienta corriente, en la que la chapa se adosa a ambos lados a una distancia W, mientras que el punzón presiona en medio de la chapa se obtiene para la fuerza mínima de doblado:

Como la determinación por cálculo de la tensión de doblado B es algo complicada, puede simplificares el cálculo empleando en este la resistencia a la tracción B o la resistencia al cizallamiento ks. Con arreglo a los estudios de WOLTER, la fuerza de doblado resulta entonces como : 11

• RESULTADOS • Radio de doblado Según la fórmula ya explicada:

B= 42 Kp/mm2 = 24 Kp/mm2 y con los datos del punto 3.3.4 , y un espesor s = 5 mm. obtenemos un radio mínimo de doblado de 2.5 mm • Recuperación elástica Sustituimos los datos: =2.5 B= 8/9 Rotura.=8/9 42 Kp/mm2 (aproximación de la tensión de doblado con respecto a la resistencia a tracción) E = 24 Kp/mm2

Obtenemos que por recuperación elástica del material, el radio que se conseguiría con un radio de la matriz de 2.5 mm sería de 3.86 mm. • Longitud • Arcos pequeños Interpolando de la tabla explicada en el punto 3.4.3., obtenemos un parámetro e =0.59 =90+11.3º =111.3º (ángulo formado entre la oreja y la intersección de arco central.) ri = 3.86 mm Sustituyendo en:

12

Obtenemos una distancia lb de 10.39 mm • Arco central Calculamos la longitud del medio arco, incluyendo en el radio la distancia hasta la fibra neutra (mitad del espesor + radio). Hay que tener en cuenta, que no son 180º de arco completo, hemos estimado un arco de 180−11.3*2= 157.4º. Estimación realizada sobre plano en catálogo. Para un arco de 157.4º Así obtenemos una distancia de 144.22 mm del arco central • Longitud total Finalmente cada oreja mide 50 mm con lo que nos queda una longitud total de 50+50+144.22+10.39+1.39=265 mm. Así se puede determinar que para obtener una pieza de longitud de 245 mm, como es nuestro caso, es necesario partir de una chapa de 265 mm de longitud. • Esfuerzos necesarios. Tonelaje de la prensa Utilizando la fórmula simplificada para utilizar la resistencia a tracción en vez de la resistencia a doblado:

Donde W se determina como : Finalmente obtenemos: Necesitamos una prensa de 1.8 Toneladas, relativamente poco esfuerzo para un prensa hidráulica como la que disponían, que llegaba hasta las 25 toneladas. Para esta pieza, la prensa está sobre dimensionada. • BIBLIOGRAFÍA • Catálogo de PIHASA Soportes para tuberías 996 • Normas AENOR ACEROS PARA CONSTRUCCIÓN METÁLICA Tomo I−Siderurgia. Recopilación de Normas UNE 1987. • NBE EA−95 Norma Básica de la Edificación. Estructuras de acero 1998. • Estampado en frío de la chapa. Mario Rossi. Editorial Científico médica. • Profundos conocimientos de matricería. J. Blanco A. 13

Ediciones CEDEL. • Apuntes: Conformación por deformación y corte (segunda parte). Alvaro Quiñones. Ediciones ICAI. • Apuntes de Ingeniería de fabricación. Mariano Jiménez. Ediciones ICAI. • ANEXOS • Plano de la pieza según catálogo • Información sobre PIHASA 1 D. Eduardo Arias Riera Ingeniero Industrial Subdirector General Ctra. Alcalá de Henares a Daganzo, Km. 9 Tel. (+34) 91 884 52 50 − Fax: (+34) 91 884 59 82 [email protected]

14

kp

Ilustr. c Ilustr. a

15

Ilustr. b

16

Columna con jaula de bolas

17

Dibujo esquemático de una prensa hidráulica autónoma de doble efecto, preparada para el embutido profundo de recipientes cilíndricos. D. Daniel Cuñado Robles Director General Ctra. Alcalá de Henares a Daganzo, Km. 9 Tel. (+34) 91 884 52 50 − Fax: (+34) 91 884 59 82 [email protected] y • 18