“diseño conceptual y fabricación de un prototipo de...

MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO

Tema A1a Diseño Mecánico: Metodologías de Diseño y fabricación

“Diseño conceptual y fabricación de un prototipo de dispositivo para el engargolado de láminas metálicas”

Limon Leyva Pablo Albertoa, García Zugasti Pedro de Jesúsa, Balvantín García Antonio de Jesúsb, Diosdado De la Peña José Ángelb, Govea Valladares Eder Hazaela, Pedro Alberto Pérez Olivasc.

a División de Estudios de Posgrado e Investigación, Instituto Tecnológico de San Luis Potosí, Av. Tecnológico S/N, Col. UPA., C.P. 78437, Soledad de

Graciano Sánchez, S.L.P., México.

b Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Guanajuato, Carretera Salamanca–Valle de Santiago km. 3.5 + 1.8 km, Comunidad de Palo

Blanco, C.P. 36885, Salamanca, Gto., México, Tel: 01 464 64 79940 ext. 2345.

c Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Instituto Tecnológico de Sonora, Calle Antonio Caso y Kino, Col. Villa Itson, Cd. Obregón, Sonora.

Tel 01644 4-10-09-00.

*Limon Leyva Pablo Alberto, [email protected]

RESUMEN

El presente trabajo de investigación muestra la metodología de diseño conceptual y el proceso de fabricación de un prototipo

de dispositivo para engargolar láminas metálicas. La metodología utilizada para el desarrollo de dicho prototipo, es la

presentada por Shigley en su obra: “Diseño en Ingeniería Mecánica”. Los requerimientos de diseño considerados para el

prototipo incluyen la necesidad de lograr y mantener la calidad en los productos engargolados, incluyendo las etapas del

proceso como el pre-engargolado y el engargolado final. Siguiendo la metodología considerada, se propusieron 3 diseños

preliminares, los cuales fueron evaluados en función de los requerimientos de diseño establecidos, así como en los criterios

de desempeño y su factibilidad de fabricación. La manufactura del modelo seleccionado se llevó a cabo implementando

métodos convencionales de maquinado. Como resultado de este trabajo se presenta el diseño conceptual y el prototipo

fabricado en base a las metodologías de diseño y fabricación consideradas.

Palabras Clave: Diseño Conceptual, Procesos de Manufactura, Engargolado por Rodillo.

ABSTRACT

The present research work shows the methodology of conceptual design and the manufacturing process of a prototype of roll

hemming metal sheets. The methodology used for the development of this prototype is the one presented by Shigley in his

work: "Design in Mechanical Engineering". The design requirements considered for the prototype include the need to

achieve and maintain quality in the hemming products, including the process steps such as pre-hemming and final hemming.

Following the methodology considered, 3 preliminary designs were proposed, which were evaluated according to the

established design requirements, as well as in the performance criteria and their manufacturing feasibility. The manufacture

of the selected model was carried out by implementing conventional machining methods. As a result of this work we present

the conceptual design and the prototype manufactured based on the design and manufacturing methodologies considered.

Keywords: Conceptual design, Manufacture process, Roll Hemming.

ISSN 2448-5551 DM 259 Derechos Reservados © 2017, SOMIM


1. Introducción

La industria automotriz es una de las más dinámicas y

competitivas de México y se ha consolidado como un

jugador importante del sector a nivel global. En las últimas

décadas, México ha llamado la atención de los principales

actores del sector automotriz debido al crecimiento

sostenido en la producción de vehículos y autopartes, así

como a la fortaleza y las perspectivas de crecimiento de su

mercado interno. Hoy la industria automotriz mexicana

vuelve a ser centro de atención en la escena global, debido

a que vive un proceso de transición de un perfil orientado

principalmente a la manufactura, a uno en el que la

innovación y el diseño juegan un papel preponderante [1].

El diseño de maquinaria y dispositivos debe ser una

actividad apoyada y respaldada por el sector

gubernamental, las instituciones de educación superior y el

sector industrial, con el fin de minimizar la dependencia

tecnológica que nuestro país padece desde hace siglos [2].

Para llegar a ser proveedores de tecnología, se requiere

realizar ingeniería inversa de las tecnologías importadas en

conjunto con metodologías del diseño y fabricación para

desarrollar prototipos, dispositivos, maquinaria y los

sistemas que las empresas requieren para generar productos

de alto valor agregado. Además, es necesario impulsar una

cultura de propiedad intelectual sobre los diseños que se

generan en nuestro país, es decir, fomentar la protección de

los inventos por medio de patentes y modelos de utilidad

[3].

En últimas fechas México ha logrado colocarse en el

quinto lugar mundial como productor de autopartes, detrás

de países como China, Japón, Estados Unidos y Alemania,

superando a Corea del Sur, según datos del Instituto

Nacional de Estadística y Geografía (INEGI). [4] Sin

embargo, la industria automotriz nacional requiere

mantenerse en los altos niveles internacionales de

competitividad. Para esto se considera importante generar

vinculación entre la industria y las instituciones educativas,

con la finalidad de desarrollar investigación que dé

solución a las necesidades de la industria. Y se proyecten

en el desarrollo tecnológico y económico del país.

El engargolado es un proceso de manufactura que consiste

en doblar el extremo de una lámina sobre si misma o sobre

otra lámina [5]. Este proceso de formado es empleado para

aumentar la rigidez de la pieza engargolada, para optimizar

los bordes de las estructuras y, por último, para unir los

paneles interiores y exteriores. Existen tres métodos para

llevar a cabo el proceso de engargolado (ver Figura 1);

engargolado con dados de movimiento vertical (Die

Hemming), engargolado de mesa con dados de movimiento

vertical y horizontal (Table Hemming), y engargolado con

rodillos (Roll Hemming) [6].

El Die Hemming se lleva a cabo en tres etapas, la etapa de

doblado a 90°, pre-engargolado y engargolado final, las

cuales se realizan en una prensa con un patrón de

movimiento vertical [6]. De manera similar, el Table

Hemming se realiza empleando una prensa, sin embargo, el

movimiento del herramental puede ser horizontal, vertical

o una combinación de ambos. La desventaja de este

método es el alto costo de inversión ya que cada

configuración de herramentales genera un solo tipo de

producto (no son intercambiables) [6,7]. El Roll Hemming,

emplea un rodillo conducido a lo largo de una trayectoria

dada. Este proceso se lleva a cabo generalmente en tres

pasos; inicialmente se tiene una lámina plana sobre la que

se genera un doblez a 90° por medio de una prensa y sus

herramentales; posteriormente utilizando el rodillo se

generan un pre- engargolado y engargolado final a 120° y

180° respectivamente [8].

Figura 1. Tipos de engargolado (izquierda: Pre-engargolado,

derecha: engargolado final): a) engargolado con dados de

movimiento vertical; b) engargolado de mesa con dados de

movimiento vertical y horizontal; c) engargolado por rodillo.

Las necesidades actuales de la industria automotriz

incluyen la reducción del peso de los automóviles para el

mejor aprovechamiento del combustible y otras

consideraciones ambientales, así como la disminución de

tiempos de análisis, pruebas y desarrollo de nuevos

productos. Debido a esto, los procesos de manufactura

como el engargolado requieren un continuo desarrollo para

adaptarse a los nuevos materiales y demandas actuales. En

consecuencia, al alto costo de inversión para la realización

de investigaciones experimentales, se han aplicado nuevas

alternativas como los estudios numéricos, incluyendo el

Método de Elemento Finito (MEF), los cuales han sido



propuestos para el análisis de diversos procesos de

manufactura [9-16].

Recientemente se han realizado estudios teóricos,

numéricos y experimentales analizando la recuperación

elástica de materiales (springback), el radio óptimo de

engargolado y el límite de fractura de distintos materiales

[17-19]. Sin embargo, aún se requiere de prototipos

funcionales que realicen la inspección de los parámetros

que intervienen en el proceso de engargolado, por ejemplo,

la fuerza de sujeción que ejerce la lámina exterior sobre la

interior bajo distintas condiciones del proceso.

En cuanto a la región de San Luis Potosí, es evidente el

creciente desarrollo y establecimiento de industrias sobre

todo en la rama automotriz que recientemente se ha dado.

Sin embargo, actualmente los laboratorios del Instituto

Tecnológico de San Luis Potosí no cuentan con el equipo

necesario para realizar la caracterización del proceso de

engargolado con materiales utilizados por la industria

automotriz. Por lo tanto, establecer una estación para el

estudio del engargolado en el Instituto brindará la

posibilidad de consolidar una red de colaboración de

conformado de metales, para satisfacer las necesidades de

la industria.

En este trabajo, se presenta el diseño y fabricación de un

prototipo de máquina, que se utilizará como banco de

pruebas para la caracterización del proceso de engargolado

de láminas de aluminio 6061 y acero ASTM A36,

metales utilizados en la industria automotriz para la

elaboración de piezas de cierre de carrocerías.

2. Metodología de diseño

El formular un plan para satisfacer una necesidad

especifica o resolver un problema es lo que conocemos

como proceso de diseño. Debido a lo anterior, el proceso

de diseño es innovador, altamente iterativo y requiere la

toma de decisiones [21].

Por lo general el proceso de diseño (ver Figura 2) comienza

con la identificación de una necesidad, con frecuencia, el

reconocimiento y la expresión de ésta constituyen un acto

creativo, debido a que la necesidad quizá sólo sea una vaga

incomodidad, o la detección de que algo no está bien.

Hay una diferencia notable entre la necesidad y la

identificación del problema. La definición del problema es

más específica y debe de incluir todas las especificaciones

del objeto que va a diseñarse. Las especificaciones son

todas las cantidades de entrada y salida, las características

y dimensiones y todas las limitaciones sobre estas

cantidades, por ejemplo, las velocidades, limitaciones de

temperatura, el peso máximo, etc.

A la síntesis de un esquema que conecta elementos

posibles del sistema se le llama invención del concepto o

diseño del concepto. Este es el primer y más importante

paso en la tarea de la síntesis. Se deben de proponer varios

esquemas para investigarse y cuantificarse en términos de

medidas establecidas (especificaciones). A medida que el

desarrollo del esquema progresa, se deben realizar análisis

para evaluar si el desempeño del sistema es cuando menos

satisfactorio, y si lo es, qué tan bien se desempeñará.

Figura 2. Proceso de Diseño [21]

Los esquemas del sistema que no sobreviven al análisis se

revisan, se mejoran o se desechan. Los que cuentan con

potencial se optimizan para determinar el mejor desempeño

del esquema. Los esquemas en competencia se comparan

de manera que se pueda elegir la solución que conduzca al

producto más competitivo. Puede observarse, que el diseño

es un proceso iterativo en el cual se procede a través de

varios pasos, se evalúan los resultados y luego se regresa a

una fase inicial del procedimiento. De esta manera, es

posible sintetizar varios componentes de un sistema,

analizar y optimizarlos y regresar a la síntesis para ver qué

efectos tiene sobre las partes restantes del sistema.

Tanto el análisis como la optimización requieren que se

construyan o inventen modelos abstractos del sistema que

admitirá alguna forma de análisis matemático. A estos

modelos se les llama modelos matemáticos. Cuando se les

crea se espera que sea posible encontrar uno que simule al

sistema físico real. Como se indica en la Figura 2, la

evaluación es una fase significativa del proceso de diseño

total. La evaluación representa la prueba final de un diseño

exitoso y por lo general implica la prueba del prototipo en

el laboratorio. La comunicación de los resultados a otros es

el paso final y vital de presentación del proceso de diseño.

Reconocimiento de la

Necesidad

Definición del Problema

Síntesis

Análisis y Optimización

Evaluación

Presentación

Iteración



Sin duda, una gran cantidad de diseños, invenciones y

trabajos creativos se pierden sólo porque sus creadores no

fueron capaces o no estuvieron dispuestos a explicar sus

logros a otros [20,21].

2.1 Propuesta de Diseño

Se requiere un prototipo de máquina para engargolar

láminas de aluminio 6061 y acero ASTM A36, utilizados

en la industria automotriz para la elaboración de piezas de

cierre de carrocerías. Para realizar el proceso de

engargolado por rodillo conducido se requiere de los

siguientes pasos:

1. Embutido: el panel exterior y el panel interior se

someten a una deformación plástica, para proveer

la forma deseada de la pieza a engargolar.

2. Corte: el panel exterior y el panel interior se

someten a un proceso de corte. En esta etapa es de

suma importancia considerar los esfuerzos

residuales que se generan en los paneles. Se

recomienda utilizar el corte por láser o chorro de

agua, debido a que estos procesos inducen menor

cantidad de esfuerzos residuales.

3. Doblez de la ceja: el proceso de doblado consiste

principalmente en realizar un doblez a 90° en el

borde del panel exterior para generar la ceja.

Posteriormente, dicha ceja será utilizada para unir

el panel exterior con el interior por medio de una

deformación plástica.

4. Ensamblaje de los paneles: el ensamble consiste

en colocar el panel interior dentro del panel

exterior. este proceso puede ser realizado en

forma manual o por medio de un manipulador; a

su vez se puede utilizar dicho manipulador o

algún dispositivo mecánico de sujeción. En

algunas piezas se añade adhesivo como medio

para prevenir vibraciones.

5. Pre-Engargolado: una vez ensamblados los dos

paneles, el pre-engargolado consiste en realizar un

doblez a la ceja que puede variar entre los 30° y

60°, a partir del doblez de la ceja [5].

6. Engargolado Final: el engargolado final consiste

en realizar el doblez de la ceja a 90° con respecto

al doblez de la ceja, es decir a 180° en el panel

exterior.

Del proceso mencionado anteriormente se resalta que, para

el presente trabajo, sólo se consideran los dos últimos

pasos (Pre y Engargolado Final), los cuales se llevaran a

cabo en el prototipo. Los pasos previos (Embutido, Corte,

Etc.) se realizarán en los equipos comerciales

correspondientes, en la Figura 3 se muestra el diagrama de

flujo del proceso de engargolado.

Figura 3. Proceso de Engargolado

2.2 Metodología Implementada

Actualmente en la industria, lograr y mantener la calidad

del producto sigue siendo un proceso empírico de prueba y

error; por lo tanto, uno de los retos actuales para el proceso

de engargolado con rodillo conducido sigue siendo mejorar

la calidad del producto. Para el presente trabajo, se plantea

el uso de herramientas de diseño mecánico, metodologías

de diseño y herramientas de diseño asistido por

computadora, (CAD). Adicionalmente, se manufacturaron

los componentes necesarios para el ensamble del prototipo.

El problema que presenta la industria automotriz es la falta

de control en la calidad del proceso de engargolado de

láminas metálicas. Por lo cual, dicho problema se pretende

resolver con el diseño del prototipo de máquina para

engargolar, debido a que con dicho prototipo se podrá

caracterizar el proceso de engargolado con rodillo

conducido en función de cada material (aluminio o acero) o

debido a requerimientos específicos del modelo o por

normativas vigentes.

Los requerimientos de diseño del prototipo deben de incluir

la modificación de las variables geométricas de entrada del

proceso de engargolado (diámetro del rodillo, ángulo de

pre-engargolado, etc.), así como, modificaciones en el

procedimiento para realizar el engargolado, por ejemplo,

velocidad de desplazamiento del rodillo, dirección del

engargolado, posición del rodillo, etc. Esto con el fin de

poder controlar y predecir el comportamiento de las

variables de salida de interés en el proceso, las cuales son

responsables de definir la calidad en el producto



engargolado tanto dimensionales (Roll-In y Roll-Out) como

superficiales las cuales están relacionadas con las

deformaciones que pueden o no generarse en el área

interior y exterior a lo largo del borde del producto, tales

como arrugas, grietas, Recoil y Warp, ver Figura 4.

Figura 4. Roll-In, Roll-Out de un engargolado, b) Warp y Recoil

de una pieza engargolada [22].

En función de cumplir con los parámetros de calidad del

proceso de engargolado, los requerimientos para el diseño

del prototipo se enlistan a continuación. El prototipo debe:

• Ser capaz de engargolar láminas de aluminio 6061 con

un módulo de Young (E=68.9 GPa), una relación de

Poisson (ν=0.33), una densidad (ρ=2700 Kg/m3) y

acero ASTM A36 con un módulo de Young (E=200

GPa), una relación de Poisson (ν=0.26), una densidad

(ρ=7850 Kg/m3) en espesores desde 0.5 a 1.5 mm.

• Generar un pre-engargolado que varié desde 30° a 60°,

con respecto la forma inicial de la lámina.

• Generar un engargolado final de 90°, con respecto la

forma inicial de la lámina.

• Tener un área de trabajo (carrera) de 50 mm como

mínimo.

• Contar con elementos de sujeción, para fijar el

ensamble de la parte a engargolar.

• Realizar el proceso de operación en menos de 5 min.

• No exceder las dimensiones del prototipo un área de

2.5 m2.

• Ser de fácil operación e instalación.

• Contar con elementos de seguridad para evitar

accidentes.

• Resistir las cargas generadas por el proceso de pre-

engargolado y engargolado final.

• El accionamiento del prototipo debe de ser de forma

manual.

Considerando las especificaciones de diseño y la

experiencia del equipo de trabajo, se realizó una lluvia de

ideas para plantear posibles soluciones al problema que se

está abordando. Cabe comentar que ninguna propuesta de

solución se descartó y a partir de dicho ejercicio se

plantean conceptos de diseño que satisfacen la necesidad

planteada anteriormente.

En el entendido de características comunes, se propone

realizar una lista simplificada para generar módulos para

conformar el prototipo de máquina para engargolar. Los

cuales se en listan a continuación:

• Modulo estructural.

• Módulo mecanismo.

• Módulo de sujeción.

• Modulo guías.

• Módulo de movimiento.

Para cada uno de los módulos anteriores se realizó tanto

una matriz de decisión como una morfológica, tomando

como base los siguientes criterios de diseño:

• Seguridad

• Funcionalidad

• Resistencia

• Rigidez

• Operación y mantenimiento

• Manufacturabilidad

• Tamaño

• Costo

Considerando los criterios anteriores se presentan 3

posibles soluciones como se puede observar en la Figura 5.

Los modelos mostrados satisfacen los requerimientos de

diseño para el prototipo de máquina para engargolar.

Debido a que cumplen con todos los requerimientos de

diseño, así como las especificaciones del pre-engargolado,

del engargolado final, la adaptabilidad de engargolar

láminas de acero y aluminio, etc. Adicionalmente, en la

Figura 5, se presentan los 3 diferentes módulos mecanismo,

estructura y guías de los prototipos mostrados, poniendo

estos módulos de ejemplo para comparar los módulos

restantes (sujeción y movimiento).

a)



b)

c)

Figura 5. Módulos, a) Prototipo 1, b) Prototipo 2, c) Prototipo

3

3 Elección del prototipo a manufacturar

Para realizar una elección adecuada del concepto de

prototipo de máquina para engargolar, se requiere elaborar

una matriz de evaluación, en donde se encuentren todos los

módulos de los prototipos analizados presentados en las

matrices morfológicas. En la matriz de evaluación se

comparan todas las opciones de diseño que se

contemplaron. Tomando en cuenta los criterios de diseño,

se les asigna un valor a cada una de las opciones, esto tiene

como objetivo ver cual opción es la que salió mejor

evaluada (la que tiene mejor puntaje) y poderla considerar

como la opción más factible [23].

La evaluación se realiza asignándole un factor de peso a

cada uno de los requerimientos de diseño, de acuerdo a la

jerarquización que se definió anteriormente.

Posteriormente, se le asigna a la opción de diseño un valor

entre 1 y 5, de acuerdo a la Tabla 1. El valor asignado se

multiplica por el factor de peso y se obtiene la calificación

de la opción de diseño. Finalmente, se observan los

resultados y se obtiene la solución más factible para el

prototipo.

Tabla 1. Valor de diseño.

Valor de 5 puntos Descripción

1 Inadecuado

2 Débil

3 Satisfactorio

4 Buena

5 Excelente

Utilizando las opciones mejor calificadas, se obtiene una

idea clara de lo que será el diseño final del prototipo de

máquina para engargolar y sus componentes principales.

3.1 Diseño de detalle.

Teniendo la opción de diseño mejor evaluada para el caso

de estudio, se procede a realizar los planos de diseño y

ensamble del prototipo 2 (ver Figura 5), así como la lista de

materiales de a utilizar (ver Tabla 2). En la Figura 6a se

puede observar el plano de diseño de detalle para una

pieza, en específico del mecanismo del prototipo. De

manera similar, se realizó un plano de diseño de detalle

para cada pieza que conforma el diseño seleccionado.

Tabla 2. Lista de materiales



a)

b)

Figura 6. Planos de diseño, a) plano de pieza, b) planos de

ensamble

En la Figura 6b, se observa el plano de ensamble del

prototipo completo. En éste se detallan las partes y la

posición en el ensamble. De manera similar se realizó un

plano para cada ensamble que conforma el diseño

seleccionado.

3.2 Fabricación y ensamble del prototipo seleccionado.

El diseño del prototipo de máquina para engargolar láminas

metálicas, así como la manufactura y ensamble, se llevaron

a cabo en los laboratorios y talleres del Instituto

Tecnológico de San Luis Potosí. (ITSLP). El prototipo

cuenta con una mesa de trabajo de soporte para el

engargolado, fabricada en acero estructural, la cual cuenta

en la parte superior con una solera de cold roll de 5”

rectificada. Dicha superficie rectificada se utiliza como

base del engargolado para el caso 2D, ya que tiene las

mismas dimensiones y forma que el panel exterior. Para el

caso 3D, la mesa sirve como apoyo del herramental externo

que se utiliza para realizar el engargolado. Finalmente, la

sujeción de la base del engargolado, así como de los

paneles interior y exterior se lleva a cabo utilizando

diferentes tipos de dispositivos mecánicos como prensas,

pernos, soleras, entre otros.

Empleando procesos de manufactura convencional se

realizaron las partes que conforman el prototipo de

máquina para engargolar. En la Figura 7 se observa el uso

de la fresadora para el careado de las piezas, el manejo del

torno para fabricar los ejes y rodillos, el uso del arco

eléctrico para soldar partes fijas del prototipo y el uso del

equipo de oxi-acetileno para el corte de las placas.

Figura 7. Manufactura de componentes.

Ejemplos de piezas manufacturadas se observan en la

Figura 8a y en la Figura 8b se presenta el prototipo final

ensamblado, todas las piezas fabricadas se limaron y

lijaron para eliminar filos y posteriormente ser

ensambladas.



a)

b)

Figura 7. Manufactura de Partes, a) piezas terminadas, b)

prototipo final ensamblado.

4. Conclusión

Mediante la metodología descrita es posible fabricar un

prototipo de dispositivo para engargolar láminas metálicas,

que satisfaga las necesidades de la industria automotriz

referente a la calidad de productos engargolados.

En el desarrollo del prototipo, se ha observado que la base

para obtener el diseño final requerido. Es necesario y de

suma importancia plantear los requerimientos y criterios de

diseño en una forma clara y precisa.

El uso de programas de diseño asistido por computadora

(CAD) en el proceso de diseño, es una herramienta

beneficiosa. Ésta permite a los diseñadores observar

resultados sobre el avance del mismo, facilitando la

realización de cambios y toma de decisiones respecto a las

iteraciones que existen en el proceso de diseño, antes de

enviar a manufacturar cualquier pieza.

El contar con un banco de pruebas para la caracterización

del proceso de engargolado de láminas metálicas, en los

laboratorios del Instituto Tecnológico de San Luis Potosí,

propiciará la consolidación de una red de colaboración de

conformado de metales para satisfacer las necesidades de la

industria. Además, los beneficios del prototipo influirán en

la formación de recursos humanos de alto nivel en un área

de la ingeniería de aplicaciones industriales creciente.

Estos recursos podrán asimilar las tecnologías modernas,

que surgen para la atención de los problemas planteados, y

dar solución a estos de forma inmediata con mayor

facilidad.

Agradecimientos

Los autores desean expresar su reconocimiento al Instituto Tecnológico de San Luis Potosí, así como, al equipo de trabajo conformado por estudiantes y docentes. Por su valiosa participación en la realización del presente trabajo de investigación.

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