Metodologa de enseanza-aprendizaje de diseo de matrices progresivas basada en Solidworks

V. Miguel, J. Naranjo, M.C. Manjabacas

Escuela de Ingenieros Industriales Albacete, Instituto de Desarrollo Regional, Campus Universitario, 02006 Albacete, Tel. 967599200, Fax 967599224

Valentin.miguel@uclm.es

Resumen El presente trabajo describe una experiencia de diseo de una matriz progresiva realizada en un entorno Solidworks. Se establecen las potencialidades del empleo de estas tecnologas indicando las ventajas que presentan, as como la interaccin necesaria con el usuario. La potencia grfica, la simplicidad en la elaboracin del diseo y las capacidades de simulacin de los conjuntos ensamblados constituyen las caractersticas ms relevantes del software a juicio de los autores. La capacidad de llevar a cabo comprobaciones mediante FEM favorece la garanta de la funcionalidad de los diseos ejecutados. Tambin se indican tres lneas de actuacin en el proceso enseanza-aprendizaje en este mbito: clases expositivas, prcticas de corta duracin y trabajos dirigidos de larga duracin. Palabras Clave: Matrices progresivas, Solidworks, CAD, FEM Abstract The present work describes a design experience related to a progressive die carried out with Solidworks. The potential of uses of this software are emphasized pointing its advantages and the needed designer interaction. The graphic power, the ease of doing draws and the simulation capacity are the main characteristics that authors point out. The possibility of checking some parts by FEM allows to assure the functionality of the manufactured designs. Three different learning strategies are proposed: expositive classes, short-time practices and long-time supervised works. Keywords: Progressive dies, Solidworks, CAD, FEM

1. Introduccin

Los procesos de estampacin de chapa estn presentes en casi la totalidad de

productos producidos en series altas. Constituyen un medio de producir piezas con

formas complicadas de forma rpida, econmica y con la precisin requerida.

Tradicionalmente se han empleado matrices simples en las que se requiere una matriz

para cada operacin de estampado que requiere la fabricacin de la pieza. Por tanto,

este sistema requiere de tantas prensas como operaciones tenga que sufrir la chapa

hasta que se convierta en una pieza finalizada. El empleo de matrices progresivas ha

mejorado notablemente la productividad al optimizar los medios productivos. En una

matriz progresiva, cada golpe de prensa realiza todas las operaciones de estampacin

precisas para la elaboracin de la pieza en diferentes zonas de la matriz. En definitiva,

por cada golpe de prensa se obtiene una pieza finalizada, aunque la pieza se va

conformando en diferentes etapas, siendo precisa una sola prensa y un operario para

las operaciones de control [1]. Su empleo est generalizado, si bien suelen justificarse

en grandes series de piezas, especialmente si se trata de operaciones con conformados

profundos [2]. Existen textos tradicionales que tratan el tema, si bien, se pueden

consultar con cierto detalle diversos casos de estampacin en fro con matrices

progresivas en [2].

Las tecnologas CAD/CAM, el desarrollo de nuevas herramientas, as como de prensas

ms robustas y con mayor velocidad de prensado, han contribuido al continuo

incremento en el uso de los procesos de estampacin para la produccin de piezas

cada vez ms complicadas. Sin embargo, estos desarrollos precisan mayores

habilidades para el diseador, particularmente en el empleo de matrices progresivas.

Debido a ello se han desarrollado diversos sistemas comerciales que facilitan el diseo

de este tipo de matrices [3]. En los ltimos aos, se vienen utilizando diferentes

paquetes de software para el proceso de diseo de matrices progresivas, tales como

CAD-FANUC, AUTO-TROL, IDEAS, CATIA, PRO-E, AUTOPROMOD, etc. La mayora de

estos paquetes son de propsito general y exigen la interaccin del diseador con el

software con el fin de facilitar la realizacin del diseo [3]. Para minimizar la

dependencia de personal altamente cualificado en el proceso de diseo de matrices se

precisa desarrollar sistemas expertos consistentes en procedimientos de diseo

automtico de matrices progresivas basados en el diseo asistido por ordenador, CAD,

y sistemas de inteligencia artificial, AI, que puedan ser asumibles en coste por

pequeas y medianas industrias [4,5]. Estos sistemas estn basados en la generacin

de procedimientos fundamentados en rutinas de aplicacin a diferentes mdulos de

software que interaccionan entre s [3-7].

Uno de los aspectos relevantes en el diseo de matrices de estampacin es la

recuperacin elstica del material tras la deformacin o springback. Existen diversos

procedimientos para la reduccin del springback consistentes fundamentalmente en el

ajuste de parmetros de proceso [8], la compensacin del fenmeno mediante la

variacin de los parmetros geomtricos partiendo de predicciones adecuadas y el

establecimiento de recomendaciones de diseo [9]. La prediccin del springback se

puede establecer mediante diversos procedimientos como los mtodos numricos

[8,10] y la modelizacin de tipo emprico-experimental [11-13]. Existen esfuerzos

dirigidos a la integracin del springback en sistemas expertos para el diseo de

matrices.

Segn lo anterior, se puede establecer que resulta de capital importancia el empleo de

metodologas de aprendizaje dirigidas al empleo de sistemas CAD para el diseo de

matrices con empleo de instrucciones especficas de este tipo de aplicaciones. En el

presente trabajo se propone una metodologa de actuacin basada en Solidworks

estableciendo ejemplos de interaccin necesarios para llegar al diseo de una matriz

progresiva.

Concretamente, la metodologa que se describe persigue los siguientes objetivos:

-La adquisicin de competencias tpicas del diseo de matrices progresivas,

estableciendo de manera pormenorizada los elementos que deben ser diseados de

forma individual, su funcionalidad en el conjunto y el diseo de ensamblajes

necesarios.

-El aprendizaje de los criterios de diseo necesarios para conseguir la funcionalidad

perseguida en los diferentes elementos que componen una matriz para estampacin en

fro.

-Establecer criterios para la seleccin de los materiales en el diseo de la matriz.

-Adquirir destrezas en relacin a los sistemas CAD para este tipo de aplicaciones,

estableciendo rutinas de actuacin y/o interaccin con el sistema.

2. Descripcin de la Metodologa propuesta.

En este epgrafe se describe una metodologa de actuacin basada en un ejemplo de

diseo de matriz progresiva que ha sido realizada de manera pormenorizada

empleando Solidworks en un trabajo fin de grado [14] correspondiente a la titulacin

de Grado en Ingeniera Mecnica en la Escuela de Ingenieros Industriales de Albacete.

Por razones de extensin, se exponen los aspectos ms relevantes.

2.1. Datos de partida.

Para el diseo de las matrices, los datos de partida deben considerarse a partir de los

planos de la pieza a obtener. Sobre la pieza a obtener se detallan los siguientes

aspectos: listado de componentes y montaje, cotas y sus tolerancias, tolerancias de

forma y posicin y el tipo de material a emplear.

Tambin se precisa disponer de catlogos de componentes de matricera existentes en

el comercio: tornillos-gua, casquillos de corte, punzones, muelles, portamatrices...

2.2. Desarrollo de la pieza.

Se dibuja la pieza a obtener conforme al plano de especificaciones de la misma. Para el

dibujo de la pieza se deben emplear las utilidades especficas para piezas de chapa.

Por ejemplo se puede partir del perfil de la pieza y especificar el espesor y los radios

de doblado, recorte de partes sobrantes, construccin de pestaas, punzonado de

agujeros, redondeo de esquinas. etc., Figura 1.

Figura 1. Definicin de la pieza a realizar a partir del plano de especificaciones [14].

Una vez definida perfectamente la pieza a trabajar el software permite calcular su

desarrollo. Para ello es preciso definir la posicin de la fibra neutra recurriendo a

fuentes bibliogrficas [15]. Los datos existentes en la bibliografa pueden ser

introducidos en el software mediante el empleo de una tabla Excel accesible mediante

el men correspondiente y que denominamos tabla de pliegue. Finalmente se

procede al clculo del desarrollo de la pieza, Figura 2.

Figura 2. Desarrollo de una pieza de chapa [14].

2.3. Construccin de la banda.

Para construir la banda de chapa que ser el negativo de la matriz a obtener, se

precisa conocer los radios y ngulos de doblado necesarios en el plegado recurriendo a

fuentes bibliogrficas o a datos contrastados [16]. Se importa el desarrollo de la pieza

como slido y se convierte en pieza de chapa con la herramienta mediante la

instruccin convertir a chapa metlica. En los parmetros de la operacin se

introduce el radio de doblado calculado conforme a la bibliografa o experiencia y se

transforma el desarrollo de la pieza mediante la herramienta convertir a chapa

metlica. Asimismo, en la operacin chapa metlica, que se genera automticamente

con la conversin anterior, se elige como mtodo de clculo para los desarrollos la

tabla de pliegue empleada para el clculo del desarrollo de la pieza.

El siguiente paso ser crear una copia a una distancia igual a la longitud de la pieza,

separada a una cierta distancia que se denomina paso de la matriz; para ello se utiliza

la operacin matriz. A continuacin, mediante la herramienta de pliegue

croquizado, se van dibujando las operaciones a realizar en cada paso, siempre

teniendo en cuenta que los ngulos de doblado se deben exceder para compensar la

recuperacin elstica del material o springback. Para seguir haciendo operaciones en la

banda, se precisa volver a hacer una copia de la pieza en el estado actual a una

distancia igual al paso de la matriz. As, se van confeccionando todos los pliegues

necesarios en la pieza.

De nuevo con la operacin matriz se crean dos copias, pero esta vez del desarrollo

antes de doblar y en sentido contrario para plantear sobre ellos los recortes de

material necesarios para poder realizar los doblados expuestos anteriormente, y que la

pieza siga sujeta a la banda. Aprovechando el contorno del desarrollo, se dibujan los

recortes de forma que la futura matriz no quede con zonas debilitadas; estos croquis

se utlizarn para hacer operaciones de corte sobre un slido superpuesto al primer

paso, que simula la banda de chapa antes de entrar en la matriz.

A continuacin, mediante copia de los recortes en el paso siguiente y simetras de

todos los pasos, se crean los pasos de la banda a mano contraria. Tambin se

establecen las simetras de todos los pasos de plegado. El resumen de las operaciones

realizadas se esquematiza en la Figura 3.

Figura 3. Construccin de la banda [14].

2.4. Construccin de la matriz.

Para continuar con el diseo de la matriz, se crea un ensamblaje cuyo primer

componente ser la banda realizada anteriormente. En este ensamblaje se parte de

una pieza rectangular, que ser la hembra de la matriz, con una anchura mayor que la

banda y con una longitud aproximadamente igual a la banda. En cualquier caso, estas

medidas podrn ser editadas y modificadas con facilidad si el diseo lo requiere.

A continuacin se generan los huecos de corte haciendo un trazado equidistante al

contorno con una separacin correspondiente a la mitad del juego previsto entre

punzn y matriz. Para la determinacin del juego de corte hay que recurrir de nuevo a

la experiencia o a fuentes bibliogrficas contrastadas [15].

Seguidamente, se debe generar el plano de vida de la hembra, esto es, un espesor til

en la matriz para compensar las operaciones de rectificado de la matriz como

consecuencia del afilado de la misma. Por debajo de esta medida, el hueco se abre con

una cierta despulla para facilitar la salida de los restos de corte.

Las zonas de doblado no suelen mecanizarse directamente sobre la hembra para evitar

la prdida de forma asociada al rectificado de la matriz. Por tanto, se recurre a insertar

postizos que permitirn ser rectificados por la parte inferior, con lo que no pierden su

forma en las zonas de doblado, adems de ser ms fciles de fabricar.

A continuacin se insertan casquillos de corte haciendo los alojamientos necesarios.

Finalmente hay que realizar el fresado de ranuras que permitan el avance de la chapa

en la matriz, as como levantadores y centradores que permiten la separacin de la

chapa y su perfecto posicionamiento en cada paso de estampacin. Tanto los

casquillos de corte, sus respectivos alojamientos, los levantadores y los centradores

suelen corresponder a elementos comerciales ya fabricados por lo que suelen

seleccionarse a partir de catlogos de fabricantes.

En la Figura 4 se ilustran las diferentes operaciones indicadas para la confeccin de la

matriz hembra. La matriz debe alojarse en un conjunto portamatrices constituido

generalmente por una base inferior, sobre la que se aloja la matriz, una placa

intermedia y una base superior, sobre la que se alojan los machos de corte y de

doblado, y unas guas que permiten el movimiento relativo de la base superior sobre la

inferior, que es fija. Sobre la base inferior del portamatrices debe mecanizarse la salida

de materiales de corte, el alojamiento para los muelles que accionan los levantadores,

tornillera para unin de matriz y portamatriz, etc. Tambin debe contemplarse la

colocacin de regletas para el guiado de la banda. En la Figura 5 se ilustran los pasos

indicados.

Figura 4. Diseo de la matriz hembra [14].

Del mismo modo que se ha descrito para la matriz y la base inferior o portamatriz, se

aplica la metodologa indicada para el diseo del prensachapas, alojado en la placa

intermedia del sistema portamatrices. El prensachapas permite sujetar la chapa contra

la matriz y realiza el guiado de los punzones. stos deben ser solidarios a la placa

superior del sistema portamatrices en el que son alojados con interposicin de una

sufridera. Deben preverse, anlogamente a lo indicado para la matriz, todos los

elementos de unin, muelles, expulsores, etc. En la Figura 6 se muestra el resultado de

las operaciones elementales realizadas sobre las placas intermedia y superior del

portamatrices, as como del prensachapas y de la sufridera sobre la que se alojan los

punzones de corte y de doblado.

Figura 5. Ensamblaje de la matriz en el portamatriz [14].

Figura 6. Punzones y elementos mecanizados en la placa intermedia y en la superior del portamatrices [14].

2.5. Comprobaciones del diseo.

Para poder comprobar cada uno de los pasos de conformado de la banda el sistema

nos ofrece una herramienta muy potente que son las configuraciones. Se puede crear

una primera configuracin que corresponda a la matriz abierta, predeterminado. Se

puede crear, por ejemplo, una segunda configuracin, matriz cerrada, en la que se

introduzcan dos relaciones de posicin, una de contacto del prensachapas con la banda

y otra en la que la parte inferior de los machos est enrasada con el prensachapas.

As, se puede observar la matriz en estado abierto o cerrado con solo cambiar de

configuracin en el rbol de configuraciones, Figura 7.

Figura 7. Configuraciones para el diseo de conjunto: matriz abierta y matriz cerrada

[14].

Con la configuracin de matriz cerrada, se puede comprobar la altura de las columnas

as como todos los pasos de doblado para ver que las alturas de los distintos machos

son correctas y las formas de los doblados corresponden a lo previsto. En la Figura 8

se muestra un detalle de esto ltimo.

2.6. Comprobacin de esfuerzos mediante FEM.

Suele ser oportuno calcular los esfuerzos en las partes crticas del diseo con el fin de

comprobar la funcionalidad de las mismas. Este tipo de software ofrece la posibilidad

de realizar tales comprobaciones de forma sencilla. Se debe proceder haciendo un

corte de la pieza para seleccionar nicamente la zona a estudiar y evitar cargar el

clculo con una malla muy grande. En el ejemplo que nos ocupa la rotura podra darse

en la zona del ltimo corte que separa la pieza de la banda, al estar fresados unos

canales para deslizamiento de la banda cercanos al hueco de cada de recortes, Figura

9. Se selecciona el icono Solidworks Simulation para activar este entorno. A

continuacin, se definimos el tipo de anlisis a realizar. Para ello en la pestaa

Simulation, se pulsa el botn Asesor de estudios, opcin Nuevo estudio y

aparece el cuadro para elegir el tipo de anlisis a realizar. Se introducen las

propiedades de los materiales implicados, as como la definicin mecnica del

problema y las cargas previstas. Se acta sobre el tamao de malla y se ejecutan los

clculos. El programa arroja los resultados correspondientes.

Figura 8. Comprobacin de los pasos de doblado[14].

Figura 9. Definicin del mallado de un elemento seleccionado para su anlisis

mediante FEM; resultados de tensiones obtenidas [14].

3. Algunas caractersticas destacables de la metodologa aplicada.

La metodologa indicada permite establecer las siguientes potencialidades:

- La generacin de planos de conjunto de todos los componentes de la matriz al hacer

planos con las vistas del ensamblaje.

- La facilidad y rapidez para conseguir vistas de seccin del conjunto.

- La obtencin de listados de materiales y sus propiedades y de su exportacin a hojas

de clculo Excel o ficheros de texto, lo que facilita la organizacin de la fabricacin.

- La posibilidad de trabajar con planos individuales de cada pieza con importantes

herramientas de dibujo como secciones, vistas de detalle, secciones parciales,

acotaciones de dimensiones, acabados superficiales, tolerancias, etc.

- La rapidez de todas estas operaciones. Una vez que tenemos todos los slidos y el

ensamblaje generado, la creacin de vistas es automtica insertndose con slo

arrastrar la que nos interese, y proyectando desde sta el resto de vistas necesarias

para definir la pieza, todo ello con muy pocos clicks de ratn.

- La asociatividad entre el slido y los planos. Esto quiere decir que cualquier

modificacin hecha en el slido posteriormente a la creacin del plano, ser reflejada

en el mismo automticamente, con lo que ello supone de ahorro de tiempo en las

revisiones de diseo.

- La capacidad de guardar los planos y los archivos de los slidos en formatos de

programas de diseo distintos o formatos de intercambio neutro: dxf, dwg, vda, igs,

sat, etc. o de publicarlo en formato pdf, lo que facilita la transmisin de la informacin.

-Las posibilidades grficas que permiten la simulacin de movimiento, as como la

visualizacin precisa para analizar todo tipo de detalles.

-La facultad de poder calcular esfuerzos mediante FEM, lo que permite establecer

modificaciones de diseo en relacin a este criterio.

-La cualidad de poder combinar este tipo de aplicaciones con paquetes CAM

compatibles, realizando la planificacin de los procesos de produccin necesarios para

la fabricacin de los diferentes elementos que componen la matriz, as como la

generacin de los programas de control numrico necesarios.

4. Estrategias enseanza-aprendizaje y resultados

Las metodologas de diseo de matrices mediante solidworks o paquetes software

similares permiten abordar distintas estrategias enseanza-aprendizaje en funcin de

los objetivos propuestos y del mbito de aplicacin. Las estrategias posibles se pueden

establecer como:

-Procedimientos expositivos por parte del profesor empleando el procesado de slidos

como recurso para potenciar el componente grfico de la exposicin.

-Realizacin de clases prcticas por parte de los alumnos en aula de ordenadores,

sugiriendo ejercicios de anlisis sobre diseos ya realizados por parte del equipo

docente.

-Propuesta de trabajos de mayor alcance como trabajos dirigidos o trabajos fin de

grado. En estos casos se ampla notablemente el uso de la potencialidad de la

tecnologa de forma prctica y de los conceptos relacionados con el diseo de

matrices.

Las dos primeras estrategias indicadas han sido puestas en prctica con un software

dirigido a la modelizacin de procesos de fundicin y han resultado muy satisfactorias

por lo que las expectativas respecto a la metodologa incluida en la presente

comunicacin son positivas. La tercera estrategia ha sido puesta en prctica en la

realizacin de un trabajo fin de grado correspondiente a la titulacin de Grado en

Ingeniera Mecnica y el resultado ha sido francamente excelente, dando lugar al

material empleado en el trabajo que se presenta.

5. Conclusiones.

En la presente comunicacin se propone la aplicacin de tecnologas CAD que permiten

establecer metodologas para el diseo particular de matrices de estampacin. Se

justifica la necesidad de emplear dicha tecnologa sobre la base de que constituye el

punto de partida de un futuro sistema experto de fabricacin. La obtencin de

destrezas en el mbito de la tecnologa CAD debe ser compatible con el conocimiento

de conceptos en el mbito especfico del diseo de matrices.

Como ejemplo de la metodologa se destacan los aspectos ms relevantes sobre una

experiencia de diseo llevada a cabo mediante Solidworks.

Por ltimo, se proponen diversas estrategias enseanza-aprendizaje basadas en la

metodologa propuesta.

6. Referencias

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