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
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.
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