Los fundamentos de la justificación de uno de los procesos de conformado de metales más antiguos y aún incomprendidos
Los conceptos fundamentales detrás del perfilado se remontan a Leonardo da Vinci. Las primeras líneas continuas de perfilado se remontan a la década de 1910. Sin embargo, incluso después de todo este tiempo, muchos todavía no saben qué es realmente el perfilado. Es un elemento básico en ciertos sectores como la industria automotriz, aeroespacial y de construcción de metales, pero para muchos la tecnología centenaria de conformado de metales sigue siendo completamente nueva.
Saber qué puede y qué no puede hacer el perfilado abre la puerta a una gran cantidad de posibilidades de moldeado de metal. Y en la mayoría de los casos, todo comienza con un perfil de pieza continuo con requisitos de gran volumen.
Formación de rollos
Incluso aquellos que sí conocen el perfilado continúan sorprendidos de lo que es posible. En la actualidad, algunos fabricantes han desarrollado métodos patentados para superar los límites del perfilado, acuñando el metal para producir un perfil de pieza que parece extruido, no formado a partir de una bobina de chapa metálica. Otros han encontrado formas de formar formas con secciones transversales discontinuas, como un canal en C que "se aprieta" como una pajarita.
Pero la mayoría de las aplicaciones convencionales de perfilado todavía requieren una sección transversal continua, o perfil. Podría ser un canal en C o en U simple o una forma irregular increíblemente compleja. La pieza puede ser recta, curva e incluso torcida en forma de hélice. Pero en medio de toda esta variedad geométrica, el perfil de la pieza es continuo.
Entender por qué requiere una comprensión básica del método de perfilado (ver Figuras 1 y 2). El material emerge de una bobina o de una pieza en bruto a través de un nivelador de precisión (si la aplicación lo requiere) y luego al primer soporte de una línea de perfilado. Las herramientas de rodillo superior e inferior en cada soporte realizan una cierta cantidad de formación que juntas crean lo que se conoce como la flor en forma de rollo, una ilustración que muestra cómo se enrolla una pieza hasta su perfil terminado.
A medida que la tira de metal avanza, las herramientas de rodillo superior e inferior en cada soporte forman el perfil en una cantidad específica que depende del espesor del metal, grado, rendimiento del material y resistencia a la tracción, geometría de la pieza, velocidad de avance y otras variables. Y al igual que el estampado y la formación de plegadoras, la formación de rodillos debe lidiar con el springback. El metal se forma a medida que pasa por el primer juego de rollos, luego se relaja ligeramente (gracias al springback) antes de entrar al siguiente juego de rollos o pasada de formación. La siguiente estación forma la pieza del siguiente "pétalo" del patrón de flores, lo que representa el springback anterior del pase anterior. Y así el proceso continúa hasta que llega a una estación de enderezamiento, o bloque de barrido, que elimina o induce comba (ver Figura 3), antes de completarse o cortarse a medida al final de la línea.
Matrices de formación de rollos
Las líneas de perfilado incorporan una variedad de rollos, por supuesto, pero también tienen al menos uno, pero a menudo varios tipos de matrices. Cada línea continua tiene un troquel de corte que corta la pieza final formada en rollo a la longitud deseada (consulte la Figura 4). Algunas líneas de formación de rollos alimentadas en blanco se alimentan a mano, pero otras tienen un troquel de pre-corte que corta la tira a la longitud necesaria antes de introducirla en la línea de perfilado.
Otros troqueles en la línea perforan agujeros y otros recortes. Cuando ocurre antes de que se forme el metal, se llama preperforación o preperforación. Cuando la operación de la prensa ocurre después o entre las estaciones de conformado, se llama muesca intermedia, un paso que a veces es necesario si, por ejemplo, perforar un agujero antes del conformado daría lugar a un estiramiento no deseado.
Los troqueles de entallar y obturar pueden permanecer estacionarios, fijados a un ariete y un travesaño, o pueden viajar a lo largo de rieles montados en las bases, donde todo el conjunto de la prensa hidráulica o neumática, o en ocasiones solo el troquel, se mueve linealmente (consulte la Figura 5). Estos troqueles volantes aumentan la flexibilidad de una línea de perfilado.
Algunas líneas incorporan troqueles especiales que forman relieves, ranuras, lengüetas, rejillas y otras características de valor agregado. En aplicaciones que requieren altas velocidades, se puede utilizar un troquel giratorio. A medida que la matriz gira, los recortes y las formas se crean a velocidades superiores a los 100 pies por minuto.
Si ve una pieza formada en rollo con soldaduras por puntos a lo largo de una costura, y sin una estación de soldadura por puntos secundaria en el piso, es muy probable que se hayan colocado allí con un proceso llamado soldadura por puntos de resistencia rotatoria, que atrapa el material entre dos ruedas de electrodos de cobre y permite que la soldadura tenga lugar mientras el material se está moviendo. Este proceso se utiliza en la industria automotriz para vigas de parachoques y secciones de marcos de puertas. De hecho, durante muchos años, la soldadura por puntos rotativos fue la opción preferida para las vigas de los parachoques. Hoy en día, muchas líneas de perfilado producen tubos soldados personalizados con soldadores de alta frecuencia.
Idiosincrasias de formación de rollos
Como cualquier proceso de conformado, el conformado por rodillos induce tensiones en la pieza, lo que puede resultar en algún tipo de distorsión. Esto incluye lo que se conoce como flare final. Si no se compensa, todas las piezas con forma de rollo emergerán con una convergencia en el borde de ataque de la pieza y se ensancharán en el borde de salida. Los fenómenos generalmente ocurren dentro de las primeras y últimas 6 pulgadas de la longitud de la pieza. Las causas fundamentales tienen que ver con las propiedades elásticas del metal, similar a la recuperación elástica en el estampado y la formación de plegadoras.
Para compensar esto, las líneas de perfilado tienen unidades antideslumbrantes que comprenden una serie de bloques, rodillos y mandriles. Las unidades doblan porciones de la pieza para que recupere la forma deseada.
Una de las mayores fortalezas del perfilado es su capacidad para formar una variedad de materiales, incluido el acero de alta resistencia / baja aleación (HSLA). Los ingenieros pueden adaptarse a las tensiones de flexión controlando la presión de los rodillos con ajustes internos y externos en el soporte de rodillos. También pueden reducir el número de grados de flexión en cada soporte de rollo. Por ejemplo, en lugar de doblar la pieza 25 grados en un soporte de herramientas, un ingeniero podría decidir dividir esa forma en incrementos de 5 grados entre cinco soportes de rodillos.
Los pases de rollo adicionales pueden ayudar a trabajar la "memoria material", pero esos pases deben colocarse estratégicamente. La geometría de una pieza a veces requiere que ciertos soportes de rodillos trabajen el material más que otros. Agregar soportes puede tener un mundo de sentido, pero deben colocarse donde sean más beneficiosos, y esto puede variar según la aplicación.
Independientemente, ajustar el número de soportes (y las herramientas en cada uno) les da a los ingenieros otro "botón para girar" para sintonizar y perfeccionar el proceso. Todas esas "perillas ajustables" son una de las razones por las que el perfilado puede formar tantos tipos diferentes de materiales en una variedad tan amplia de formas.
Factores de ancho y largo
A veces, el laminado hace que las hélices y otras formas sean imposibles de hacer de otra manera. Pero cuando la decisión de enrollar la forma se basa únicamente en la geometría de la pieza, generalmente tiene que ver con el tamaño de la pieza.
Teóricamente hablando, el perfilado no tiene límite en la longitud de la pieza. Los únicos límites verdaderos son prácticos: es decir, cómo maneja la pieza a medida que emerge de la línea. Las piezas extremadamente pequeñas y cortas a veces se manipulan con rampas. Los sistemas de evacuación de babosas debajo de los troqueles pueden convertirse en sistemas de evacuación parcial; es decir, la babosa es la pieza.
En el otro extremo, las partes pueden ser extraordinariamente largas. Las prensas de estampación tienen límites de tamaño de cama y las camas de plegadora solo pueden ser tan largas. Pero incluso la línea de perfilado más compacta no tiene límite teórico en la longitud de la pieza. El único factor limitante es tener el espacio y la capacidad para manipular la pieza formada.
En cuanto al ancho, el único factor limitante suele ser el ancho de una bobina. Se sabe que algunas líneas de perfilado procesan una amplia gama de anchos de piezas de trabajo (consulte la Figura 7). Estos incluyen líneas dúplex que se forman solo cerca de los bordes del material y pueden moverse hacia adentro y hacia afuera para adaptarse a diferentes anchos sin cambios de herramienta.
Consideraciones de cambio
Las líneas dúplex que se reorientan rápidamente ilustran cuán flexibles son realmente algunas líneas de perfilado, particularmente cuando se procesan familias de piezas que comparten ciertos atributos. Algunas líneas de encofrado en rollo en la industria de las gradas y los asientos pueden producir una pieza diferente tras otra. Las piezas comparten el mismo perfil pero tienen diferentes longitudes y patrones de orificios. Todo está equipado y enviado en el orden exacto que los instaladores necesitan en el lugar de trabajo.
El cambio rápido en el perfilado puede ocurrir de varias formas. Por ejemplo, se puede construir una línea especializada para enrollar a partir de un puñado de piezas diferentes, cada una de las cuales utiliza soportes de rodillos específicos. Esto funciona solo para ciertos tipos de geometrías de piezas y ciertos requisitos de tolerancia; esencialmente, la línea de perfilado se construye a medida en función de las necesidades de una mezcla de piezas específica, generalmente de alto volumen, pero es una opción en determinadas circunstancias.
Los nuevos controladores programables pueden cambiar los patrones de perforación, la longitud de las piezas y otros atributos. Es posible que el cambio no sea inmediato o sobre la marcha para diferentes patrones por pieza, pero puede suceder en cuestión de minutos.
Otra opción de cambio rápido es usar líneas en balsa (ver Figura 8), donde grupos enteros de herramientas superiores están preconfigurados en una balsa y se pueden levantar en su lugar. Las pequeñas líneas de perfilado pueden consistir completamente en una sola balsa que se puede intercambiar según sea necesario. Esta tecnología introduce un cambio rápido para mezclas de productos más amplias. Los cambios en rafting no son inmediatos, pero son más rápidos que el cambio manual tradicional, en el que los operadores pueden pasar horas intercambiando y alineando herramientas manualmente.
Factores laborales
Los costos de mano de obra en el perfilado por lo general se encuentran entre el 3% y el 15% del costo total del trabajo. ¿Por qué la amplia gama? Esto se debe en gran parte a los distintos niveles de automatización disponibles, así como a la combinación de productos y la complejidad de la línea de perfilado.
Una línea de perfilado que requiera cambios manuales puede tener un alto contenido de mano de obra, dependiendo del número de cambios que requiera la línea. En el otro extremo del espectro, algunas empresas pueden tener solo un empleado administrando tres líneas separadas. Los controladores gestionan la mayoría de los cambios y las piezas se descargan automáticamente en contenedores kanban. Ese empleado podría pasar la mayor parte de su tiempo monitoreando el proceso y preparando nuevas bobinas para el próximo trabajo. En algunos entornos de alta producción, es posible que una formadora de rollos no tenga ningún operador.
Al reducir aún más el contenido de mano de obra, la calibración automatizada ayuda a reducir parte de la magia negra de la configuración del rollo y, en muchos casos, puede realizar ajustes en tiempo real. Así como las plegadoras ofrecen medición de ángulos en tiempo real, las líneas de perfilado ahora ofrecen ajustes en tiempo real para tener en cuenta la variabilidad del material y mantener la geometría de la pieza final dentro de la ventana de tolerancia.
Después de la instalación, el perfilado siempre ha ofrecido una gran consistencia de una pieza a otra. Las tolerancias de perfil estándar son ± 0,030 pulg., Con ± 2 grados en los ángulos. Las tolerancias de torsión pueden ser inferiores a 0,120 pulg. Por encima de 40 pulg .; las tolerancias de comba pueden estar dentro de 0.040 pulg. sobre 40 pulg .; y las tolerancias de arco pueden estar dentro de 0.040 pulg. por encima de 40 pulg., aunque nuevamente, estos números varían según la aplicación. Todas estas tolerancias pueden ser incluso más estrictas dependiendo de la geometría de la pieza. Independientemente, la calibración automatizada simplemente lleva esa consistencia al siguiente nivel.
Dicho todo esto, el contenido de mano de obra en el perfilado es solo una pieza del rompecabezas. Una línea de perfilado, incluso con un alto contenido de mano de obra, podría ayudar a reducir los costos generales, especialmente si la línea integra procesos secundarios como la soldadura. Por ejemplo, una gran línea de perfilado puede requerir que un operador controle el proceso de perfilado y otro para ejecutar y controlar la operación de soldadura. El contenido de mano de obra en la laminadora podría aumentar al 15%, pero debido a que se eliminan múltiples operaciones secundarias, los costos generales se desploman.
De hecho, la eliminación de los procesos secundarios es una de las principales razones por las que muchas piezas que se extruyeron previamente se transforman en rodillos. La extrusión tiene el beneficio de herramientas simples y económicas que pueden producir geometrías extremadamente complejas; y debido a que no está comenzando con láminas de metal, no tiene que preocuparse por el abocardado final y otras idiosincrasias de formación de metal.
La desventaja es que las extrusiones a menudo requieren una buena cantidad de procesamiento secundario. Las partes del marco de la ventana son un buen ejemplo. Cuando los precios del aluminio suben, los productores buscan alternativas para reducir costos, lo que a menudo los lleva a líneas de perfilado que integran varias operaciones secundarias. Necesitan adaptar el perfil, por supuesto; Fuera de algunos procesos especializados, el perfilado convencional no puede producir las esquinas afiladas habituales en las piezas extruidas. Independientemente, adaptar el perfil al perfilado es un pequeño precio a pagar por eliminar una gran cantidad de operaciones posteriores.
Debido a que vivimos en un mercado global, reducir los costos laborales es clave. Los números pueden variar según la aplicación, la geometría de la pieza y la demanda del mercado, pero en un escenario típico, el perfilado se vuelve competitivo cuando el contenido del material representa entre el 60% y el 90% del costo total del trabajo.
Volumen y capacidad
Muchas piezas comienzan su ciclo de vida en una plegadora, pero luego terminan produciéndose en una formadora de rodillos. De hecho, una vez que el volumen de piezas supera los 250.000 pies lineales al año (tenga en cuenta que se trata de pies, no de la cantidad de piezas), el perfilado suele convertirse en la opción más económica.
Sin embargo, este número varía con la complejidad de la pieza. Una pieza con unas pocas curvas simples puede requerir hasta 500,000 pies lineales al año para que el perfilado tenga sentido. Por otra parte, podría tener solo 10,000 pies lineales al año, pero debido a que la pieza es tan compleja, el perfilado sigue siendo la opción menos costosa. Los números podrían bajar aún más si un formador de rodillos ayuda a eliminar la soldadura secundaria u otras operaciones.
Sepa que estos números son solo generalizaciones. Considere una pieza que comienza en una plegadora manual y luego se transfiere a una celda de plegadora robótica. La celda del robot puede satisfacer la demanda del cliente, pero es posible que la pieza en sí no aproveche las ventajas de la celda de plegado. La simulación fuera de línea, la disposición inteligente del material, las pinzas flexibles y el cambio automático de herramientas crean un sistema que puede producir una variedad extraordinariamente amplia de piezas, y no se limita a piezas con un perfil continuo.
Y, sin embargo, la celda de freno robótica continúa produciendo grandes volúmenes de una familia de piezas estrecha, todas las cuales tienen un perfil de pieza perfectamente adecuado para una línea de perfilado con alimentación por bobina. ¿Por qué no trasladar la familia de piezas a una línea de perfilado y luego abrir la capacidad en la celda de plegado robótica para formar otras piezas de volumen relativamente bajo?
La decisión de enrollar la forma, o utilizar cualquier otro proceso, en realidad, se reduce a hacer el mejor uso de la capacidad de formación de metales. A veces, esto exige cuestionar el status quo. Teniendo en cuenta el estado del mundo, toda la incertidumbre futura y los continuos avances en la tecnología de fabricación, cuestionar el status quo se ha vuelto más importante que nunca.
Fuente: thefabricator