Aspectos tribológicos del perfilado de chapa
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EDITORIAL
.,.
LA FABULA DELRETOYLARECOMPENSAAunque el tiempo parece que está un poco loco, al final se ha acabado imponiendo
la razón meteorológica, y las temperaturas han descendido, llueve y pronto
comenzarán las primeras heladas y nevadas. Nuestro mundo se empieza a vestir deNavidad.
Pero quizás por los acontecimientos económicos y financieros que nos rodean y
controlan nuestras vidas profesionales y personales no sentimos la misma ilusión queaños atrás.
En estas circunstancias seguro que muchos de nosotros nos ponemos a soñar
pensando en cómo sería nuestra vida, si durante un periodo determinado de tiempo,
tendríamos la capacidad total y absoluta de controlar todos los acontecimientos que
rodean nuestra existencia. Vamos, si podríamos ser Dios por un año, por ejemplo.
Este es la premisa que recogen Jaume Soler y Merce Conangla en su libro
"Aplícate el cuento", editado por Amat Editorial de lectura muy recomendable en esta
época del año.
En ella un campesino de la época en que Dios solía darse paseos por la tierra,
increpó a la suprema divinidad su total desconocimiento del arte de la agricultura. El
osado mortal se atrevió además a exhortarle a que le dejase a él tomar las decisiones
durante los siguientes doce meses. Dios aceptó la proposición, y durante un año el
campesino tuvo en sus manos el control de todos los acontecimientos relacionados
con su trabajo. Imaginaros, ese año no irrumpió el granizo, la lluvia caía cuando era
necesaria y el sol calentaba la cosecha cuando era preciso. El agricultor no podía salir
de su gozo, pero el resultado no fue lo que el presuponía ya que descubrió
sorprendido que los granos de su trigo, grandes y dorados, estaban todos vacíos.
Desconcertado preguntó a Dios el motivo de su desgracia. Este, desde su infinita
sabiduría, le respondió sin desafío no hay recompensa, sin tormentas, sin viento .. el
trigo no crece fértil y fuerte, se hace vago porque no tiene que luchar por su
supervivencia.Ya lo sabíamos: el desafío y el reto generan recompensa. Pero cuando el mercado
financiero, la situación de los sectores en los que se mueven nuestras empresas, los
clientes que aplazan su decisión de compra ... , a veces es bueno recordarlo. La
capacidad de imaginar e inventar del ser humano es infinita. Aprovechémosla porque
estamos ciertamente ante un reto que nos desafía a todos.
y ~ e4tc4~, el u¡~ 1~ ~ 'HHE (14~:
FELíz NAVIDAD Y PRÓSPERO AÑO NUEVO, QUE LOS REYES MAGOS OSTRAIGAN 365 TONELADAS DE ALEGRíA, ÉXITO Y BUENOS MOMENTOS(Administrar con tiento, tiene que durar todo un año)
IMHE 201111DICIEMBRE
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Aspectos tribológiCOS
del perfilado de chapa•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••
Cuestiones relacionadas con la lubricación
y el arrastre que ejercen las etapas de rodillos matrices.................................................................. ,
El perfilado es uno de los procesos de fabricación más empleados en la transformación de
productos de chapa, resultando ideal en series elevadas de piezas largas y con sección
transversal constante. De hecho, mediante perfilado, se puede producir casi cualquier perfil
imaginable, siempre que sea constante a lo largo de la longitud de la pieza. No obstante, para
cada producto, se requiere el diseño y fabricación de un conjunto de rodillos específico, lo cual
encarece notablemente la inversión requerida. En el presente trabajo, se detallan distintosaspectos relacionados con la lubricación y con el arrastre que ejercen las etapas de rodillos
motrices del perfilado, mostrando su vital importancia no sólo para lograr el conformado [tema de
esfuerzos, conformabilidad, etc.), sino para posibilitar un producto con la calidad superficial
adecuada .
INTRODUCCION
EL PROCESO DE PERFILADO DE CHAPA
El perfilado es un proceso de fabricación por deforma
ción plástica que se aplica a chapa metálica (Figura 1). Sue
le definirse como el conformado del material según líneas de
plegado rectas, longitudinales y paralelas mediante herra
mientas (rodillos) que tienen por contorno la forma del perfil
que se quiere obtener, todo ello efectuado a temperatura
ambiente y sin modificar el espesor del material.
El conformado se produce de forma gradual en estacio
nes situadas de manera sucesiva, en cada una de las cuales
se realiza una pasada o etapa de conformado. Cada una de
estas estaciones está formada por dos ejes horizontales (eje
superior y eje inferior), a los que se acoplan los diferentes ro
dillos, que están diseñados de modo que la sección transversal del material se va acercando etapa a etapa a la del
perfil que se quiere obtener. En ocasiones, se añaden a los
ejes superior e inferior ejes auxiliares dispuestos en otras di
recciones, por ejemplo los laterales de las estaciones 4 y 5
de la Figura 1.
..... .· ."
PIEZA DE
CHAPA
RODil lOS DE
PERFILADO
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i lII.mJI ~ :~ EJES :• LATERALES •l .~-..,............-..,..........-~---- •...•...•.....-
~.,..,......~~..•-.........--.-.--.---..-.-.-.-.-..-.--.--
.:Figura 1: Representación esquemática del proceso de perfilado
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LÍNEAS DE
PLEGADO
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..............................................................
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Figura 2: Marcas superficiales en dirección longitudinal en la superficie
crítica de un perfil en C obtenido mediante perfi lado
Figura 4. Diagrama de fuerzas de contacto obtenido a partir de una
simulación mediante elementos finitos del perfilado de una sección en Z
(Copra Rollform)
Figura 3: Medición con micrómetro del desgaste de un rodillo de
perfilado
Para moverse de estación a estación, la chapa va avan
zando en dirección longitudinal gracias al movimiento que
los propios rodillos le transmiten por fricción, ya que todos osólo algunos tienen su giro accionado a través del eje enque van montados. La principal ventaja del proceso es suelevada productividad, al ser las velocidades típicas de
avance de la chapa de 60, 80 m/min (1)' pudiéndose alcanzar hasta 180 m/min. El rango de espesores de chapa enque actualmente es aplicable el proceso abarca desde 0,1hasta 20 mm.
Esta rapidez hace que actualmente el perfilado sea unode los procesos de fabricación más empleados en la transformación de productos de chapa, resultando ideal en serieselevadas de piezas largas y con sección transversal constante. De hecho, mediante perfilado, se puede producir casicualquier perfil imaginable, siempre que sea constante a lolargo de la longitud de la pieza. No obstante, para cada producto, se requiere el diseño y fabricación de un conjunto derodillos específico, lo cual encarece notablemente la inversión requerida. Además, la puesta a punto de toda la líneaes compleja y puede consumir días o semanas, afectando elproblema tanto al diseño de cada rodillo, como a los ajustes
de la perfiladora, como a las distancias entre ejes o a la alineación transversal de las diferentes estaciones. En el pre
sente trabajo, se detallan distintos aspectos relacionadoscon la lubricación y con el arrastre que ejercen las etapas derodillos motrices del perfilado, mostrando su vital importancia no sólo para lograr el conformado (tema de esfuerzos,conformabilidad, etc), sino para posibilitar un producto conla calidad superficial adecuada.
PROBLEMASASOCIADOS
A LA TRIBOLOGIA EN ELPERFILADO
El contacto entre chapa y herramientas es uno de losprincipales problemas a que se enfrentan los fabricantesque utilizan el perfilado como proceso de transformación. Elmovimiento relativo entre ambos produce efectos indeseados el desgaste genera la aparición de marcas superficialessobre la chapa (Figura 2) y el deterioro de las herramientas(Figura 3), mientras que la fricción aumenta el consumo de lamáquina perfiladora.
Juzgar la apariencia superficial de un producto es subjetivo. En este sentido, el fabricante de la pieza perfilada y sucliente deben establecer de forma clara qué magnitud de
marcas se considera aceptable dentro del producto. Paraello, es útil el empleo de patrones o muestras de lo que seconsidera admisible e inadmisible. El nivel de aceptabilidaddepende principalmente de los requerimientos estéticos delproducto, puesto que el rayado superficial no afecta al comportamiento de la pieza en servicio. Además, debe tenerseen cuenta que la importancia de este defecto puede no serla misma en todas las caras. Por ejemplo, en el perfil en Cde la Figura 2, sólo existe una superficie crítica, la lateral exterior, que será la única visible durante la vida útil de la pieza.
El desgaste de los rodillos suele controlarse a través deun programa de revisión periódico mediante galgas de es
pesor o micrómetro (Figura 3). Cuando supera el valor considerado como excesivo, las herramientas son remecaniza
das. Este desgaste crítico es fijado por el fabricante deacuerdo con su experiencia, basándose en garantizar quese sigan cumpliendo las especificaciones del producto. Suele ser superior en las zonas de los rodillos correspondientesa las líneas de plegado de la chapa, ya que es ahí donde la
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presión de contacto es más fuerte (Figura 4). No obstante, el
número de veces que un rodillo puede ser remecanizado es
reducido y, cuando se alcanza, debe desecharse. De estemodo, el coste de herramental es uno de los principales cos
tes de operación que afectan al perfilado.
Finalmente, la fricción genera una pérdida de potencia
que aumenta el consumo del proceso. El coeficiente de ro
zamiento del perfilado sin lubricación es aproximadamente
0,4 (4)' Además, la energia disipada por fricción en forma decalor provoca el aumento de temperatura en el contacto, que
es indeseado porque, aunque no llega a modificar la micro
estructura de los materiales, si puede producir daños super
ficiales tanto en la chapa como en los rodillos (5)' Además,los gradientes térmicos, si son fuertes, pueden producir en
combinación con la abrasión el inicio de grietas en los mis
mos, ya que la superficie endurecida del acero para herra
mientas es frágil (6) Estas grietas pueden llevar a la fracturadel rodillo.
CARACTERISTICAS TRIBOLOGICAS
DELCONTACTO CHAPA-RODILLOS
PRESION y VELOCIDAD RELATIVA
La fricción y el desgaste se producen cuando existe mo
vimiento relativo entre dos superficies en contacto entre las
que actúa un determinado esfuerzo normal. Como se ha vis
to en el apartado anterior, durante el perfilado, los rodillos
arrastran la chapa para que avance a la vez que la van deformando plásticamente para imprimirle la geometría trans
versal del perfil que se desea fabricar. De este modo, por un
lado, existe siempre una diferencia de velocidad entre las
herramientas y el material y, por otro, una carga normal entre
ambos (presión), que se corresponde con la componente
correspondiente de las fuerzas de conformado. Evidente
mente, el tipo de movimiento relativo existente entre chapa y
rodillos es de deslizamiento.
En el perfilado, el contacto entre chapa y herramientas es
especialmente problemático, porque la velocidad tangencial
de la porción de la superficie de los rodillos que está en con
tacto con el material no es la misma en todos sus puntos. Sin
embargo, todos los puntos de la chapa sí se desplazan conla misma velocidad, ya que, de lo contrario, el material no
permanecería unido a sí mismo. La distribución de velocida
des tangenciales en el contorno de los rodillos sigue la
Ecuación 1. De este modo, la velocidad v de un punto cual
quiera de la superficie de las herramientas es directamente
proporcional al radio D/2 a que se encuentra de su eje, sien
do la de rotación w del mismo la constante de proporcionalidad.
En la Figura 5, se representa la distribución de velocida
des tangenciales a lo largo del contorno de un rodillo inferior
que está conformando un perfil en C. Las herramientas
transmiten la potencia de arrastre a la chapa a través del tra
mo horizontal (base) de la sección. Por ello, para que el ma-
...................................................... ~ .• t
Dw= w
2.· ..-.-.-.-.-.-.-.-.-. - -.-.-. -.-.-.-.-.-.- ...,.,..-.-.-.-r.- ....-.-...•-.-.-.-.-.-.- ...•...--..-.-.- -...•..•.-...•-.-.-..
Ecuación 1
· .,• 11 t
· t
~ ~-.-------- - --v-;·W-~TD/2) t: wsup In v _ = W -(O _ /2):: max Inf max ~,
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= ÚJ" (O, /2) :·W •
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Figura 5: Triángulo de velocidades tangenciales a lo largo del contorno
de un rodillo inferior de perfilado (Copra Rollform)
..............................................................
~ r.-......_ •. fa e•••• "'''' -_,,)...,. .•, al" "'\''''''''_'':'''_'',) ~ .".,-H .·- -.~.-.. -.~.-.-.-.~.-.-.- -.~.~.-.-. -.~.-.-.-.- ~ -. . •. -....-.-.- -.-.-.-.- -.-.~.Ecuación 2
Figura 6: Diagrama de fuerzas de contacto obtenido a partir de una
simulación mediante elementos finitos de la estación de perfilado de la
Figura 5 (Copra Rollform)
· .·• A1tmb-~1iII ~Q~-tl.,..eam=)Ilw._~· o}''JP(~N-.~-D~) =w,. ..i •· .- -.-.- '._.-.-.~ _.~ _._._ ...,.- _._.-.-.- _.?.-.-.-. _._._._.-.~._ . .",....,.~._ c".-._.......•
Ecuación 3
terial avance correctamente, la altura a la que se dispone el
perfil en la estación se calcula de manera que las velocida
des tangenciales de los contornos de los rodillos superior einferior coincidan en la base. Esta velocidad se denomina
motriz (vmot) y se corresponde con la de avance de la chapa
entre las diferentes estaciones. Por el contrario, aplicando la
Ecuación 1, se observa que la velocidad de los puntos del
contorno de los rodillos inferiores que están en contacto con
el perfil aumenta linealmente desde un valor mínimo que es
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Figura 7: Triángulo de velocidades tangenciales a lo largo del contorno
de un rodillo superior típico de perfilado (Copra Rollform)
MaterialRa h!m)
Acero laminado en caliente
2-8
Acero laminado en frío0,4-2
Figura 9: Compatibilidad del material de 105 rodi llos de perfilado (acero )
con el de 105 recubrimientos metálicos más típicos en la chapa de
partida (zinc y a luminio )
Tabla 2: Valores típicos de rugosidad media de la chapa de acero
laminada empleada como material de partida en perfilado (17)
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l~,~t
2 :(0W
Vmín = W sup '(OmíJ2)
v = Wsup·(D/2)
o
Material Dureza Brinell (HB)
ro
100-25050-2505-1305-95
.
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l I J l I•,....-.-• -.-.~•• _ .~.-rr.-"-"'-.'''-~~'''-;."-.'-''.-''.-;·.T•••• ~••• -.-•...•...,..-...•r •...•...••...F.;-·e;;.;.'-.·;_·.~.·.·_.~•
·
¡w~---------Rf: sup
·
:WI~f• -1 _._._._._._,_ .••.•••.· .. -.. -..•... -.-.-.-.-.-.- .•....-.-·
Tabla 1: Valores típicos de dureza Brinell de 105 materiales que más
frecuentemente se procesan por perfilado (espesor = '/2') (7)
Figura 8: Agrietamiento de un recubrimiento galvanizado debido a su
adhesión a 105 rodil los de perfi lado (1)
precisamente Vmothasta un máximo, vmáx'
Teniendo en cuenta la explicación anterior, en cada punto
del perfil habrá un gradiente de velocidad ¿Jvinfentre el ma
terial y las herramientas inferiores, que será tanto mayor
cuanto más alejado esté dicho punto de la base. El gradiente es nulo en la base del perfil, ya que, como se ha mencio
nado, la velocidad del contorno es ahí la de avance del ma
terial. En la zona a mayor altura, el gradiente entre la chapa y
Tabla 3: Composición química del acero para herramientas AISI D2,
expresada en % en peso (9)
..............................................................
: - Figura 10: Rodillos de perfilado fabricados l•...n acero AISI D2. Dirección en que se deben •pulir para evitar la microabrasión de la
chapa [
f~i~~t··
'~' ...
l ,. · :l ~l l-.......-."C._ -,-F.~.T~IIr ••.~."'.••.~,....•.•.•..•.•.••• w .•. _ •• _~.~~~.t.,~.~-_,-.,_~._c_-,- ..
la superficie del rodillo inferior alcanza su valor máximo,
¿Jvmáx-inf,cuya expresión puede deducirse según la Ecua
ción 2. En ella, el término Llvmáx-infserá tanto más elevado
cuanta mayor altura H tenga la sección.A modo de ejemplo, y utilizando el caso de la Figura 5, la
velocidad de avance del material es vmot = 10 m/min y la al
tura del perfil H = 140 mm. Para cumplir ambas condiciones,
IMHE 201111 DICIEMBRE
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Rodamientos
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i,..•.~...•.•..·,-ec-.'.'.,.T •• -. ;•'.'....., •.• '-.•. ,..,.,.,."'_.,- •.• '.,.,*'.'.'- •.,•;-.',.,.,.-,.", .•.•.,-• '.'., ., •.• ~.-.-.-•
.............................................................
·
···
I~
iti¡,~·¡·
Rodillos
laterales
-(i;;"c'o7)'-'-'-
Figura 11: Empleo de rodillos laterales locos para reducir las marcas
superficiales en el conformado de un perfil en e
•••••••••••••••••••••••••••••••• A •••••••••••••••••••••••••••••
• superficies dlb superficies
críticas para las críticas para las
marcas marcas
superficiales superficiales
• ' A __ ~ .~ ,
·
el eje gira a Winf = 17 rpm y el diámetro motriz es Dmot-inf=187,31 mm. Por tanto, aplicando la Ecuación 2, el término
Llvmáx-infvaldría 14,95 m/min. En cuanto a la componentenormal de las fuerzas de conformado, con una simulación
mediante elementos finitos realizada con el software comer
cial para perfilado Copra FEA RF, se ha comprobado que es
del orden de 20 N Y que no está aplicada donde el gradiente
es máximo, sino a 24 mm de la base (vector azul de la Figu
ra 6). El gradiente de velocidad ahí tiene un valor aproxima
do de LlvF-inf = 2,6 m/min
El desarrollo seguido puede aplicarse análogamente pa
ra el rodillo superior de la Figura 5 (Figura 7). En su caso, es
la chapa la que se desplaza más rápido que el contorno de
los rodillos El valor máximo del gradiente de velocidad entreambos (chapa y superficie del rodi llo superior), Llvmáx-sup,ie
ne el valor que se deduce en la Ecuación 3, similar a la
Ecuación 2, pero ahora aplicada al rodillo superior.
En nuestro ejemplo, la velocidad de rotación del eje su
perior es wsup = 3,67 rpm y el diámetro motriz mide Dmot-sup= 433,7 mm. Aplicando la Ecuación 3, Llvmáx-sup = 3,23
m/min En la Figura 6, se observa que ahora el contacto está
aplicado cerca de la zona más alta de la sección (flecha ro
ja), con lo que Llvmáx-sup" LlvF-sup.La carga normal es del orden de 60 N. Por tanto, el contacto con el rodillo superior en
este caso es más crítico desde el punto de vista de la pre
sión, pero menos exigente en cuanto a la velocidad relativa.
NATURALEZA Y ESTADO SUPERFICIAL
DE LOS MATERIALES INVOLUCRADOS
Mediante el proceso de perfilado, puede conformarse
chapa de cualquier metal dúctil, aunque en la industria los
Figura 12: Uti lización de rodi llos infer iores apoyados en rodamientos
para reducir las marcas superficiales en el conformado de un perfil en e
que más frecuentemente lo emplean son los aceros, los in
oxidables y las aleaciones de aluminio, muy especialmente
los primeros. Las marcas superficiales se producen por la
abrasión de los rodillos sobre la chapa. Por ello, los materia
les más problemáticos en este sentido serán los más blan
dos, como aleaciones de aluminio o cobre (Tabla 1) A pesar
de que los aceros son poco sensibles al rayado superficial,
los que son inoxidables deben perfilarse con cuidado para
no dañar su elevado brillo (1)
Además, en muchas ocasiones la chapa de partida para
el perfilado lleva recubrimiento previo, pudiendo distinguirse
dos tipos:
Recubrimientos metálicos, siendo los más habituales zinc
(galvanizado) y aluminio En estos casos, el principal pro
blema ante gradientes de velocidad es la adhesión del
revestimiento a los rodil los y su consiguiente agrietamien
to (Figura 8), que puede acelerar la corrosión del acero.
Además, la eliminación del zinc adherido es una tarea
engorrosa e incluso peligrosa. El desgaste adhesivo se
produce sobre todo cuando los dos materiales en con
tacto tienen temperaturas de fusión similares, es decir,
con alta compatibilidad (Figura 9). En estos casos, como
consecuencia de la presión y del calor disipado en el
contacto, se producen microsoldaduras entre las respec
tivas asperezas superficiales que, al existir movimiento
relativo, se rompen por la unión más débil, en este caso
la existente entre la chapa y el revestimiento. En la Figura
9, se observa que el aluminio y el zinc son altamente
IMHE 2011 "'- DICIEMBRE
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____~mín2- -:: - - - - mot
~
1
RODillOS SUPERIORES
RODillOS INFERIORES
Vm:m?t~~~~~~-
................................................................................................................................
. SUPERFICIE ~CRíTICA PARA llAS MARCAS
SUPERFICIALES
3... -...•......•...-...•...•..r.~~..,.._;".,-.·;-.·-•.,..·;-.·--.~.-.-.-.-.-....•-.-.-.-._'.'._,.,._--.-.-.-.-•..--.-.-.-.-.-.-.-.--;.-....~._"."'.-_".~.~---._-.-.--.-.-.---.-.--.---.--.----.--.--.-;.."",.'.;.,.;-.-;..·.;-._.""-.7.~.__ .-.-•••
Figura 13: Cambio en la orientación del perfil en la máquina para reducir el gradiente de velocidad en la superf icie crítica
compatibles con el material del rodillo (acero), lo que ex
plica la adhesión.
Recubrimientos no metálicos, sobre todo pinturas. En es
tos casos, el inconveniente suele ser la abrasión del re
vestimiento. El motivo es que las pinturas son relativa
mente blandas en comparación con el acero de las he
rramientas. El rayado puede verse agravado si se usan
los mismos rodillos para conformar chapa pintada y gal
van izada, debido a las formas irregulares del zinc adheri
do a su contorno.
la abrasión sobre la chapa. Para evitarlo, es necesario que la
superficie de los rodillos que va a estar en contacto con el
material tenga un acabado superficial muy bueno. Así, el últi
mo paso de su fabricación suele ser una operación de puli
do, que se debe efectuar en dirección de avance del mate
rial para evitar que durante el perfilado se produzcan micro
abrasiones sobre la chapa (Figura 10). El acabado superfi
cial suele especificarse a través del parámetro normalizado
rugosidad media, siendo valores típicos del mismo para los
rodillos Ra = 0,02-0,05 IJm (8)
Por otro lado, el material más habitualmente usado en los
rodillos de perfilado es el acero para herramientas AISI 02
(Figura 10), ya que otros del mismo tipo como el AISI 01,
que se usaba anteriormente por su mejor maquinabilidad,
pueden llegar a desgastarse hasta niveles inaceptables en
menos de 100 horas de uso, debido a la naturaleza abrasiva
del óxido de hierro presente en la chapa de acero laminada
(1) El material laminado en caliente es a este respecto máscrítico que el laminado en frío, pues presenta peor acabado
superficial (Tabla 2).
El acero 02 (OIN 1.2379 o UNE-EN X153CrMoV12) redu
ce la abrasión de las herramientas por tener gran resistencia
al desgaste. Esta propiedad proviene en su caso de la combinación de dos factores:
Una dureza elevada. Para los rodillos de perfilado se re
comienda que sea de 60-62 HRC O. Se alcanza mediante
un tratamiento térmico de bonificado, que consiste en un
temple seguido de dos revenidos. Así, se logra un equili
brio entre dureza y tenacidad, propiedad que es necesa
ria porque la chapa somete los rodillos a continuos im
pactos durante el proceso.
Un alto contenido en carburos metálicos, en torno a un
15-20% (8). Esta elevada proporción se debe a la composición química de la aleación (Tabla 3), abundante tanto
en elementos formad ores de carburos metálicos (cromo,molibdeno y vanadio) como en carbono.
La elevada dureza de las herramientas puede acentuar
ACCIONES DE MEJORA DE LA EFICIENCIA
TRIBOLOGICA DELCONTACTO
MODIFICACIONES EN ELDISEÑO DELPROCESO
En muchas ocasiones, realizar cambios en el diseño de
las estaciones de perfilado es suficiente para evitar el raya
do de la chapa, minimizar el desgaste de los rodillos y redu
cir el consumo de potencia de la máquina. Por ejemplo, el
empleo de un mayor número de etapas de conformado sue
le ser efectivo, ya que disminuye la carga normal que ejer
cen los rodillos sobre el material en cada una. Sin embargo,
esta solución incrementa la inversión en máquina y herra
mientas en proporciones muchas veces inasumibles A con
tinuación, se detallan algunos ejemplos de alternativas con
un coste inferior que pueden ser igualmente eficaces. En lu
gar de reducir la presión, se centran en evitar el diferencialde velocidad.
La más extendida es la utilización de rodillos no acciona
dos en las zonas críticas de contacto con el material. Al no
ser matrices, es la chapa la que los arrastra, evitándose así
el diferencial de velocidad y, con él, la posibilidad de marcar
la pieza. En estos casos, los rodillos locos se introducen sólo
en las estaciones en que la sección obtenida es de altura
considerable, ya que aumentan el coste y, como se vio en
las Ecuaciones 2 y 3, el diferencial de velocidad es directa
mente proporcional a dicha dimensión. Estas pasadas normalmente serán sólo las últimas, por ejemplo, en el caso de
la Figura 1, sólo la 4 y 5.
Como se comentó en el apartado "Problemas asociados
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Figura 14: Defectos típicos en las piezas de perfi lado relacionados conlas deformaciones longitudinales inducidas durante el proceso
El mecanismo de lubricación ideal es el hidrodinámica,
ya que elimina casi por completo el desgaste y reduce lafricción a coeficientes de rozamiento del orden de 0,001-0,2.
No obstante, en perfilado, es imposible de alcanzar salvo en
zonas aisladas (4)
Disminuye la abrasión que produce tanto el desgaste delos rodillos como el rayado de la chapa.Permite eliminar la adhesión de los recubrimientos metáli
cos a las herramientas, ya que dificulta la aparición demicrosoldaduras al establecer una película en la intercara y/o mermar su resistencia.Reduce la fricción y disipa gran parte del calor generadopor el rozamiento La chapa prepintada puede conformarse en ocasiones incluso sin lubricante, ya que tienede por sí excelente lubricidad.Ayuda a evacuar las partículas desprendidas por el desgaste, que pueden producir erosión sobre las superficiesinvolucradas en el proceso.Además, puede incrementar la resistencia a la corrosióndel producto perfilado.
Figura 15: Lubricación del contacto chapa-rodillos en el proceso deperfilado
EMPLEO DE LUBRtCANTES
La lubricación del contacto entre el material y los rodilloses beneficiosa desde el punto de vista de todos los problemas vistos anteriormente y se utiliza en la mayoría de los casos (Figura 15)
cos de las piezas perfiladas (Figura 14) y la solución paraminimizarlas es utilizar más estaciones para producir el mis
mo perfil.
......................................................•.....•
L--ISTORSION
(1UlR~
DEFEGOS DE REGITUD
TORSIÓN
(l1MSl)
ONDUIAOÓN EN LOS BORDES(edge waving)
a la tribología en el perfilado", las superficies críticas del perfil en C son las laterales exteriores. Por tanto, para evitar queen ellas se produzcan marcas, se pueden sustituir los rodillos inferiores que contactan con ellas y en los que se producía el gradiente de velocidad (Figura 5) por rodillos laterales(Figura 11). De este modo, al ir montados en ejes separados,estos últimos pueden ser locos al mismo tiempo que los queestán en contacto con la base siguen teniendo accionamiento, lo cual, como se ha mencionado, es necesario para el
avance longitudinal de la chapa. Mientras que, con la configuración de la Figura 5, todos los ejes estaban accionados,en la de la Figura 11 sólo son matrices el inferior y el superior, girando los laterales a la winduclda que la chapa les imprime por fricción.
Si se quisiera evitar el problema del rayado también en lasuperficie superior de la sección (Figura 7), podría optarse
por desconectar el eje de arriba. Así, wsup pasa a ser también inducida. Esto hace que la fuerza de arrastre sobre lachapa se reduzca a la mitad en la estación en que se aplicaesta medida. No obstante, el empuje de las primeras etapassuele ser suficiente para que el material no se detenga. En laindustria del perfilado, se acepta como regla no desconectar
ningún eje inferior, aunque sea sólo en las últimas pasadas.Una tercera forma de conseguir que sea el material quienmueva los rodillos problemáticos es permitir su giro libre sobre el eje apoyándolos en rodamientos. Así, el que transmitela potencia de arrastre puede seguir accionado (Figura 12).
En otras ocasiones, puede ser conveniente modificar laorientación del perfil dentro de la máquina. Por ejemplo, lapieza de la Figura 13 se obtiene tradicionalmente en posición horizontal. Sin embargo, el gradiente de velocidad en lasuperficie crítica es menor si se gira 90° ya que vmot nocambia de valor, pero vmín2 > vmín1. No obstante, aumenta laaltura de la sección en máquina (H2 > H1), lo que tiene comoconsecuencia el incremento del coste de la solución. Con la
altura, además de aumentar el coste por precisarse un ma
yor diámetro de rodillos, también lo hace por incrementarsela magnitud de las deformaciones longitudinales generadasdurante el proceso. Las deformaciones longitudinales residuales están relacionadas con algunos de los defectos típi-
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: HORIZONTAL
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MaterialDureza RockwellDureza Rockwell BDureza Rockwell C (HRC)(HRR) (HRB)
WCI151
76-78
CPM 10V 1161
59-64
AISI D2 191
54-65
AMPC0®18 1131
91-94
Nvlon 66 1121
110-120
Uretano 1121
50-90
Aceites minerales
Macroemulsiones
Microemulsiones
Aceites sintéticos
Lubricantes evaporativos.
Tabla 5: Valores típicos de dureza de 105 materiales más usados para 105
rodillos de perfilado
Figura 18: Carburos metálicos distribuidos en líneas (izquierda) y de
forma globular (derecha) (8)
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La lubricación límite se consigue añadiendo aditivos específicos al lubricante.
La elección del lubricante es un proceso crítico, ya que
uno inadecuado puede no cumplir su función adecuada
mente e incluso corroer la chapa. Por ello, cada caso con
creto debe estudiarse por separado, puesto que en la selec
ción influyen factores como la naturaleza y estado superficial
de los materiales, las condiciones de conformado, la productividad necesaria o cuestiones medioambientales relaciona
das con su eliminación. Los tipos más empleados en la in
dustria del perfilado son los siguientes (4)
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'\:/INSERTO DE
C:.~,RBURO DE INSERTO DE CARBURO DE
WOLFRAMIO WOLFRAMIO
Al Feutros,5%alance0,5%
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Figura 17: Insertos de carburo de wolframio para reducir el desgaste en
rodillos de perfilado (11)
Tabla 4: Composición química nominal de la aleación AMPCO 18 (13)
.............................................................•
:-30nFigura 16: Comparativa entre la produc- ~i·25 n" tividad a lo largo de toda su vida útil de :
o 20 rodillos de perfilado fabricados en AISI .
(§ 02 Yen carburo de wolframio (11)
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•••
Por ello, se opta por el de untuosidad, que consiste en la
adhesión física de una fina capa de lubricante a las superfi
cies en contacto. En este caso, el desgaste y la fricción de
penden de la tasa de creación-destrucción de la película,
que será superior cuanto más fuerte sea la unión. El coeficiente de rozamiento en el perfilado lubricado es habitual
mente de 0,1-0,3 (4).
En ocasiones, también es importante el mecanismo de
nominado lubricación límite o de extrema presión, que produce la creación de sales en la intercara mediante reaccio
nes químicas. Estas sales reducen la resistencia de las mi
crosoldaduras y además se rompen fácilmente, con lo que
disminuyen tanto el desgaste por adhesión como la fricción.
El contacto entre chapa y herramientas es uno
de los principales problemas a que se
enfrentan los fabricantes que utilizan el
perfilado como proceso de transformación
MATERIALES ALTERNATIVOS PARA LAS HERRAMIENTAS
Para obtener productos libres de marcas y herramientas
con un desgaste razonable, su material debe elegirse de
acuerdo con la naturaleza y el estado superficial de la chapa
a perfilar. Sin embargo, en la industria habitualmente se opta
por el más común, que, como se ha explicado en el aparta
do "Naturaleza y estado superficial de los materiales involu
crados", es el acero AISI 02, sin reparar en las ventajas que
podría reportar el empleo de uno alternativo. Algunos los
que están siendo empleados actualmente para fabricar rodi
llos 'de perfilado son los siguientes (Figura 19 y Tabla 5)
Carburo de wolframio (WC) Su ventaja es la reducción
del coste que suponen las herramientas si las series del
producto son largas. A pesar de que los rodillos tienen
un coste inicial aproximadamente cuatro veces superior,
tardan en torno a diez veces más en desgastarse que el
02 debido a su elevada dureza. Además, es un material
insoldable, lo que elimina la posibilidad de adhesión de
los recubrimientos metálicos y, como su coeficiente defricción con los metales es menor que el del acero, pro
duce menos abrasión en la chapa perfilada (10). Si los rodillos son grandes, pueden usarse insertos de este mate-
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CARBURO DE WOLFRAMIO AMPCO@18
URETANO
Figura 19: Rodillos de perfilado fabricados en
mater ia les alternativos al acero AISI D2 (12)
••••••••••••
••
El perfilado es un proceso de fabricación por
deformación plástica que se aplica a chapa
metálica; suele definirse como el conformado
del material según líneas de plegado rectas,
longitudinales y paralelas mediante
herramientas (rodillos) que tienen por contorno
la forma del perfil que se quiere obtener, todo
ello efectuado a temperatura ambiente y sin
modificar el espesor del material
rial en herramientas de acero para mantener la reducción
de costes. Como ejemplo, la compañía Ameristar Fence
Products afirma que en una de sus líneas de producción
este material ahorra 13 sustituciones de juegos de rodi
llos de 02 (11)
Aleaciones bronce-aluminio, especialmente las del grupo
AMPCO (13). Se usan cuando el marcado de la chapa esmuy crítico, por ejemplo para conformar aluminio o inoxi
dable, ya que son relativamente blandas y tienen muy
buena calidad superficial. Además, tienen gran resisten
cia al desgaste en comparación con su dureza. La más
recomendable es el AMPCO 18 (Tabla 4), ya que las de
número inferior tienen una resistencia al desgaste dema
siado baja y las superiores son más difíciles de mecani
zar (1)Plásticos que, como el nylon y, sobre todo, el uretano,
tengan altas resistencias al desgaste. Son el último recur
so cuando las marcas son inaceptables (12)' especialmente en chapa de aluminio muy blando e inoxidable. No
obstante, tienen el inconveniente de ser dañados fácil
mente por los impactos de la chapa (1)
Aceros sinterizados, como los CPM 1av y 15V, cuyo ele
vado contenido en vanadio les confiere alta resistencia al
desgaste (16) Su origen pulvimetalúrgico proporciona asu microestructura mayor homogeneidad, lo que reduce
la abrasión sobre los rodillos. Además, la distribución
globular de los carburos metálicos, frente a la lineal de
los aceros convencionales, les proporciona mayor resis
tencia al desgaste (Figura 18) (8). Como consecuencia,
pueden durar de dos a tres veces más en algunas aplicaciones.
CONCLUSIONES
Ha quedado claro que la tribologia es uno de los asuntos
clave a tener en cuenta para que el proceso de perfilado sea
económico, medioambientalmente amigable y apto para pro
ductos con requerimientos estéticos. El desgaste abrasivo
genera costes muy relevantes al obligar a remecanizar y lue
go reemplazar los rodillos periódicamente, así como un raya
do superficial sobre la pieza que debe controlarse en multi
tud de aplicaciones. El desgaste adhesivo también ha de ser
tenido en cuenta especialmente en materiales como el acerogalvanizado o con otro recubrimiento metálico. Por su parte,
la fricción debe ser reducida al máximo para tener consu
mos de máquina contenidos y evitar problemas debidos al
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El conformado se produce de forma gradual en
estaciones situadas de manera sucesiva, en
cada una de las cuales se realiza una pasada o
etapa de conformado
calentamiento de los materiales.
Para minimizar la magnitud de estas cuestiones, debenadoptarse soluciones de forma transversal en todo el ciclode desarrollo de la línea de perfilado
El diseño del proceso debe buscar la reducción, dentrode lo económicamente posible, de los gradientes de velocidad y de la presión entre las herramientas y la chapa.
La selección del material de los rodillos, bien sea realizada por el diseñador de la línea o por el fabricante que laopera, debe evitar el conservadurismo y razonar si elacero para herramientas es el material más adecuadopara cada caso. La investigación de nuevos materiales yla progresiva implementación de los mismos en la industria debería ser un objetivo del sector.El operador de la línea debe seleccionar el lubricante deforma justificada, acudiendo a expertos si es necesario,para evitar la aparición de problemas derivados de lapropia lubricación y minimizar efectivamente con ella losefectos de la fricción y del desgaste. Además, debe establecerse y llevarse a cabo un programa de manteni
miento periódico que controle el desgaste de los rodillosy la adecuada lubricación de los contactos.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo ha sido posible gracias a la colaboración deNoguera Maquinaria (NGRMAQ). Noguera Maquinaria esuna empresa especializada en la comercialización de software para la transformación de chapa y de servicios de ingeniería relacionados. Dentro de su porfolio de productos,cuenta con las aplicaciones Copra, siendo Centro de Competencia para España y Portugal de dicho software. El software Capra Roll Forming es una potente herramienta de diseño profesional de rodillos para perfilado en frío que posibilita reducir el coste de planificación, diseño e ingeniería ypermite configurar todo el proceso desde el diseño de la flor(etapas de conformado), diseño de rodillos y cálculos técnicos, hasta la simulación del proceso de conformado, gestiónde stock de los rodillos, fabricación por CNC y Control deCalidad.
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Eduardo Cuesta, Pedro Fernández y Braulio ÁlvarezÁrea de Ingeniería de los Procesos de Fabricación
Universidad de Oviedo
Pablo García y Vicente CastroNoguera Maquinaria, distribuidor para España de Copra,
de data M Sheet Metal Solutions GmbH