Metodolog´ıa para el an alisis del proceso de...

MEMORIAS DEL XIX CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM25 al 27 DE SEPTIEMBRE, 2013 PACHUCA, HIDALGO, MEXICO

Metodologıa para el analisis del proceso de engargoladopor rodillo en probeta especializada

1,2Cacique Borrego Sergio, 3Capilla Gonzalez Gustavo, 2Israel Aguilera Navarrete, 2Arroyo Ramırez

Benjamın, 2Orozco Mendoza Horacio,1Centro de Desarrollo Tecnologico, Pintura Estampado y Montaje, S.A.P.I. de C.V.

Carretera Celaya-Salamanca Km.5, C.P. 38020, Celaya, Guanajuato, Mexico.

Tel.: +52-461-6185241.

2Departamento de Ingenierıa Mecanica, Instituto Tecnologico de Celaya

Av. Tecnologico esq. A. Garcıa Cubas s/n, C.P.38010, Celaya, Guanajuato, Mexico.

Tel.: +52-461-6117575.

3Departamento de Ingenierıa Mecanica, Universidad de Guanajuato

Carretera Salamanca-Valle de Santiago Km.3.5 + 1.8 km., Comunidad de Palo Blanco, Salamanca, Guanajuato, Mexico.

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RESUMEN.

El objetivo de este trabajo consistio enestablecer un metodo para el estudio del procesode engargolado por rodillo empleando un ensam-ble pre-estirado propuesto.

Se inicio caracterizando el material medianteel desarrollo de pruebas mecanicas obteniendolas propiedades necesarias para su modelacionvirtual. Posteriormente se simulo la prueba lımitede copa (LDHT) y se compararon los resultadoscon respecto a la prueba fısica.

Se trabajo despues en la definicion de unensamble prototipo conformado por dos panelesmismos que deberıan tener un estiramientoprevio al proceso de engargolado.

Posteriormente se definio el proceso deengargolado estableciendo los pasos de pre-engargolado requeridos. Una vez modelado elproceso, se analizaron los resultados obtenidosa partir de los valores de adelgazamiento ydeformacion plastica.

Los resultados de este trabajo ponen de mani-fiesto las ventajas de emplear esta metodologıapara estudiar los efectos del material durante ladefinicion del proceso de engargolado por rodillo.

ABSTRACT.

The aim of this work was to establish amethod for the study of roll hemming processusing a proposed pre-stretch assembly.

This study starts with material characterizationby developing mechanical tests and getting thenecessary properties for its virtual modelingthrough Finite Element Method (FEA). Sub-sequently the Limit Dome Height Test wassimulated and compared the results with respectto the physical test.

After that, the work was focused in the defini-tion of an assembly prototype that consists of twopanels (inner and outer), those panels should be

Derechos Reservados c© 2013ISBN 978-607-95309-9-0 Página | 818


stretched before the roll hemming process.

Concretized the panels, the roll hemming wasproposed establishing the required pre-hemmingsteps. Once the process was modeled, the resultswere analyzed using the thinning and plasticdeformation values.

The results of this work show the advantagesof using this methodology to study the effects ofthe material during the roll hemming process.

INTRODUCCION.

El engargolado (hemming) es una ope-racion utilizada en la construccion de partesdel vehıculo para producir una union entre elpanel exterior de vista y el panel interior de lacarrocerıa del vehıculo. La Figura 1 muestra lailustracion del proceso.

Figura 1: Ilustracion de proceso de engargolado. Izq.Panel exterior antes del proceso de doblez; Cen. Panelexterior despues del proceso de doblez; Der. panel ex-terior e interior despues del proceso de engargolado

Las laminas son unidas por la deformacionplastica sin el uso de algun elemento de fija-cion adicional y esta operacion generalmentese combina con un proceso de adhesion. Lasventajas de este proceso de union son el bajopeso, el incremento en la rigidez del componentey se minimizan los riesgos de lesion ya quese eliminan las orillas filosas. Las partes de lacarrocerıa del vehıculo que normalmente tieneneste proceso son: los cofres, puertas, compuertasy las defensas.

El engargolado por rodillo es un proceso relati-vamente nuevo que se introdujo en el mercado enlos anos 90 y tiene grandes areas de aplicacion enel sector automotrız debido a que es un procesoflexible y se requiere de una inversion menor

comparados con los procesos convencionales.

Los primeros estudios para predecir el compor-tamiento de este proceso empleando el metodode elemento finito, datan a finales de los 90scon autores como Atzema [1], Holmer y Lar-brant [2], Livatyali [3] y Svensson [4]; estosestudios son limitados debido a que empleanmodelos en dos dimensiones y existen efectosque no pueden evaluarse como el movimientoen la direccion perpendicular al plano del modelo.

Mats Svensson y Kjell Mattiasson [5] eva-luaron la factibilidad de emplear elementos tipomembrana en el proceso de engargolado porrodillo para evaluar el efecto denominado comoRoll-in sobre un modelo 3D, concluyendo quelas tendencias en los resultados son favorablesreportando sus conclusiones en el 2002.

Posteriormente, S.Thuillier [6] propone elestudio del proceso de engargolado a partir dela definicion de una probeta con una trayectoriaconvexa comparando los resultados del engargo-lado por mesa y el engargolado por rodillo, talcomo se ilustra en la Figura 2.

S. Thuillier concluye que las deformacionesplasticas se presentan en menor magnitud enel proceso de engargolado por rodillo ası comotambien hace evidente la disminucion del efectoRoll in comparado con el proceso de engargoladopor mesa.

Figura 2: Representacion esquematica del engargola-do sobre el especimen propuesto por S. Thuillier

En el 2009, Xing Hu [7] propone una meto-



dologıa basada en el analisis de los patrones dedeformacion plastica y esfuerzos para evaluar lacapacidad del material antes de que sufra unafractura ductil durante el proceso de engargolado.

En un estudio mas reciente, N. Le Maout [8]considera el especimen propuesto por S.Thuillerpero adicionando el efecto del pre-estiramientoinducido durante el proceso de embutido comoen la realidad ocurre. La Figura 3 presenta lametodologıa utilizada por N. Le Maout.

Figura 3: Diagrama de flujo de la metodologıa plan-teada por N. Le Maout

Las conclusiones a las que llegaron son:una buena correlacion de las arrugas presentesdurante el pre-engargolado entre la simulacion yel especimen, y la ligera influencia que ejercensobre el comportamiento del material los parame-tros de anisotropıa y el efecto Bauschinger.

El especimen propuesto por N. Le Maout tienela limitante de analizar el proceso de engargoladosobre trayectorias que no presentan cambios brus-cos; este trabajo plantea el estudio del proceso deengargolado por rodillo a partir de un especimenque contemple vertices como los que se encuen-tran comunmente en las esquinas de las puertas,compuertas y cofres. La figura 4 muestra los pa-neles exterior e interior del ensamble propuestopara este estudio.

DESARROLLO.

Los pasos propuestos para para el estudiodel proceso de engargolado por rodillo se definena continuacion:

1. Caracterizacion mecanica del material.

2. Correlacion del modelo empleado para elmaterial a partir de la modelacion virtual

Figura 4: Ensamble propuesto para el estudio del en-gargolado por rodillo

de la prueba Lımite de Copa (Limit DomeHeight Test) y su comparacion vs. el procesoreal.

3. Ajustes en la modelacion para encontrar unacorrelacion optima.

4. Simulacion del proceso de manufactura delos paneles que conforman el ensamble a en-gargolar

5. Definicion y simulacion del proceso de en-gargolado por rodillo.

6. Analisis de resultados.

En la caracterizacion mecanica se busca obte-ner las propiedades necesarias para la definicionmatematica del material dentro del paquete de si-mulacion, en esta etapa es importante considerartambien el criterio de cedencia a emplear.

Posteriormente se sugiere hacer una simulacionde una prueba estandar de embutido empleandola modelacion del material definida previamentey comparando los resultados con respecto a laprueba fısica con la finalidad de evidenciar elnivel de correlacion y ajustar de ser necesario elmodelo del material.

Con el modelo de material verificado, se con-tinua con el analisis del proceso de fabricacionde los paneles exterior e interior del ensamblea engargolar; durante su manufactura, se debe



garantizar que ambos paneles contienen un esti-ramiento mınimo previo al proceso de ensambletal como ocurre en el proceso real.

Una vez que se han obtenido virtualmentelos paneles, se continua con la definicion delproceso de engargolado estableciendo los pasosnecesarios para garantizar la union y una buenasujecion entre ambas partes. En la modelaciondel proceso, se consideran los adelgazamientos ylas deformaciones del panel exterior generadosdurante su manufactura.

Como ultima etapa, se analizan los resultadospara retroalimentar al proceso y garantizar unabuena calidad en el ensamble.

Caracterizacion mecanica del material

El material empleado para cada uno de lospaneles que conforman el ensamble propuestofue un aluminio Al6061. Para su caracterizacionmecanica se utilizaron 30 probetas para pruebasde tension en tres direcciones de rolado, 0◦, 45◦

y 90◦, 10 por cada direccion, y se obtuvieronlos valores de esfuerzo a la cedencia (σy), valorde endurecimiento por deformacion (valor n) yel valor de anisotropıa en cada direccion (valorr) a partir del analisis estadıstico de los resultados.

La norma utilizada para la configuracion de laprobeta y la ejecucion de las pruebas de tensionfue la ASTM E8 (ver Figura 5). Para la obtencionde los valores de endurecimiento por deforma-cion se siguio la norma ASTM E646 y para ladeterminacion de los valores de anisotropıa seempleo la norma ASTM E517.

La figura 6 ilustra los diagramas σ − ε verda-deros obtenidos en las pruebas mecanicas del ma-terial.

Con el uso del extensometro y compresometrose lograron obtener los valores de anisotropıaa 0◦, 45◦ y 90◦ con respecto a la direccion derolado[9], mismos que se presentan en la tabla 1.

Tabla 1: Valores de anisotropıa a 0◦, 45◦ y 90◦.r0 r45 r90

0.7807 0.5271 0.5987

Figura 5: Probeta lista para evaluarse en la maquina detension

Figura 6: Diagramas σ −ε verdaderos para el aluminoAl6111

Simulacion de la prueba Limite de Copa y sucorrelacion con el proceso fısico

El software empleado para el estudio virtualdel proceso fue el PAM-STAMP v.2012 y elcriterio de plasticidad utilizado fue el de Hill48para la modelacion del material.

A su vez se sometieron 5 probetas rectan-gulares de 227 mm. x 225 mm. a la pruebaLımite de Copa (LDHT) empleando una maquinauniversal para pruebas de embutido. Las laminasfueron sometidas a una sujecion de 400 KN mis-mas que se consideraron en la modelacion virtual.

A traves del software ARAMIS se evaluaronlos adelgazamientos obtenidos en la probeta en



varios instantes de la prueba; la referencia paracomparar los resultados fue la altura de la copaque forma la lamina, misma que se ajusto en lamodelacion para garantizar que la comparacionde resultados entre el proceso real y virtualfuera en el mismo estado de deformacion. Ladistribucion de adelgazamientos sobre la probetay la carga demandada en el punzon fueron lasvariables evaluadas.

La Figura 7 muestra la maquina universal depruebas de embutido utilizada para las pruebasLDHT y la Figura 8 presenta el modelo empleadoen la simulacion.

Figura 7: Maquina universal para pruebas de embutido

Figura 8: Modelo de herramienta utilizado para la va-lidacion de la caracterizacion mecanica del material

Simulacion del proceso de manufactura de lospaneles que conforman el ensamble propuesto

Primero se trabajo el concepto para los panelesexterior e interior del ensamble (ver Figura4), ambos poseen la caracterıstica de tener uncontorno con cambios de curvatura que en elproceso de engargolado implican un cambio enla trayectoria del rodillo, esto con la finalidadde estudiar el comportamiento del materialen los vertices del ensamble mismos que soncomunes en los engargolados de cofres, puertas ycompuertas.

Para lograr un estiramiento deseable sobre elespecimen, en su diseno se considero un radiode curvatura normal al espesor de la lamina loque le da una altura a los paneles que favorecenla deformacion de la lamina durante el procesode embutido; ası mismo se incluyo en el disenola herramienta una vena de amarre para lograruna mayor restriccion durante el proceso de es-tampado y alcanzar ası un adelgazamiento mayoro igual al 2% sobre la zona de engargolado, losdetalles del diseno de la herramienta se muestranen la Figura 9.

Figura 9: Herramental disenado para la operacion deembutido de paneles interior y exterior del ensamblepropuesto

La siguiente operacion consisto en el corte pe-rimetral de los paneles. Se considero el contornodesarrollado para el panel exterior (incluyendola zona de doblez proyectada sobre la laminaembutida) y el contorno final para el panelinterior; virtualmente esta operacion solo cortay elimina los elementos que se encuentran porfuera de la zona de pieza. La Figura 10 muestraambos paneles despues de la operacion virtual decorte.



Figura 10: Paneles exterior e interior despues del pro-ceso virtual de corte

Despues se desarrollo el herramental de doblezpara el panel exterior considerando 9 mm. deceja desvaneciendola en los extremos cercanos alcambio de trayectoria para evitar empalmes dematerial. La Figura 11 presenta la modelacion delproceso.

Figura 11: Modelacion del proceso de doblez para pa-nel exterior

Definicion del proceso de engargolado

Una vez simulado el proceso de manufacturapara los paneles exterior e interior, se conti-nuo con la definicion del proceso de engargoladopor rodillo la cual se establecio en 3 pasos: pri-mer pre-engargolado, segundo pre-engargolado yengargolado final.

Para la simplificacion del analisis se con-sidero una simetrıa en la modelacion y no seincluyo el efecto de la rotacion de los rodillos nila friccion existente entre ellos y el panel exterior,considerando que sus efectos no influyen de

manera significativa sobre el analisis virtualdel proceso, acorde a la recomendacion de losdesarrolladores del software de simulacion[10].

La Figura 12 presenta la configuracion de cadauno de las etapas definidas.

Figura 12: Pasos definidos para el proceso de engar-golado

RESULTADOS.

Referente a la caracterizacion mecanicadel material, la Figura 13 muestra la comparacionentre resultados de la carga demandada por elpunzon obtenidos en la simulacion y el procesoreal. Se puede observar que existe una buenacorrelacion teniendo un porcentaje de variaciondel 3.27%.

Figura 13: Comparacion de resultados de fuerza ejer-cida en el punzon proceso real vs. proceso virutal

En lo que respecta a los adelgazamientos, la



Figura 14 presenta la comparacion entre ambosresultados obteniendo un porcentaje de variaciondel 6.66%.

Figura 14: Comparacion de adelgazamientos procesoreal vs. proceso virtual

En el proceso de fabricacion del especimen,la Figura 15 presenta la distribucion de adelga-zamientos sobre la pieza despues del proceso deembutido.

Figura 15: Distribucion de adelgazamientos sobre elpanel exterior/interior despues del embutido

Se puede observar que la parte presenta unabuena distribucion de adelgazamientos teniendoal menos un 2% en la zona de engargolado.

Con lo que respecta a los adelgazamientos en elproceso de engargolado. La Figura 16 presenta losresultados del primer pre-engargolado, la Figura17 al segundo pre-engargolado y la Figura 18 alengargolado final.

Figura 16: Distribucion de adelgazamientos despuesdel primer pre-engargolado

Figura 17: Distribucion de adelgazamientos despuesdel segundo pre-engargolado

Se puede observar que existen dos tendenciasmarcadas en el engargolado; mientras que la zonafrontal tiende a adelgazarse mas, la zona traserase comporta de manera contraria presentandoseengrosamiento en algunas areas, esto debido a losmodos de deformacion predominantes en ambaszonas.

Las Figuras 19 y 20 presentan la distribucionde las deformaciones menores sobre la zonafrontal y trasera del ensamble en los ultimos dospasos del engargolado.

De la misma forma que los resultados de adel-gazamientos, ambas zonas presentan comporta-mientos contrarios; mientras que la zona frontalpresenta valores positivos de deformacion (esti-ramiento), la zona trasera muestra valores negati-vos (compresion), este ultimo cambiando drasti-camente entre el segundo y tercer paso eviden-ciando ası una fuerte tendencia al empalme dematerial. Notese que la escala a sido ajustada pa-



Figura 18: Distribucion de adelgazamientos despuesdel engargolado final

ra apreciar mejor la distribucion de deformacio-nes en el rango positivo (zona frontal) y negativo(zona trasera).

Figura 19: Comparacion de las deformaciones meno-res en zona frontal del ensamble entre el segundo pre-engargolado y el engargolado final

CONCLUSIONES.

Analizando los resultados de la caracteri-zacion mecanica, se puede evidenciar que tanto elmodelo de material y la caracterizacion empleadapara la simulacion del proceso de engargoladopor rodillo son los adecuados.

En el proceso de embutido, los resultados deadelgazamiento presentados, garantizan el esti-ramiento deseado, caracterıstico de los panelesexteriores en donde se emplea el proceso deengargolado.

Los resultados del proceso de engargolado po-nen en evidencia la importancia de la definicionde la cantidad de pasos a establecer antes delengargolado final. En la zona frontal, los adelga-zamientos incrementan en un 17% mientras que

Figura 20: Comparacion de las deformaciones meno-res en zona trasera del ensamble entre el segundo pre-engargolado y el engargolado final

en la zona opuesta, se presentan engrosamientoshasta del 20% ademas de la aparicion de arrugas,haciendose evidente por la distribucion negativade la deformacion menor.

Los resultados de la simulacion evidenciandefectos importantes en el proceso de engargo-lado por rodillo del ensamble propuesto, debidoprincipalmente a la tendencia de empalme queexiste en el cambio de curvatura del ensamble yen la zona trasera del mismo. Cabe resaltar quelas areas con una deformacion menor por debajodel 0.08 (8%) en el segundo pre-engargoladopresentaron una tendencia al empalme en elengargolado final, dicha condicion entonces sedebe evitar para mejorar la calidad de la union.

Los resultados de adelgazamiento y deforma-cion menor en la zona de engargolado se puedenmejorar variando los parametros del procesocomo los son el angulo de incidencia del rodilloo la fuerza del mismo.

Aun cuando el ensamble propuesto ha presen-tado algunos problemas de calidad, este estudioha demostrado que puede ser un buen especimenpara el analisis de los diferentes modos de defor-macion que se pueden presentar en los procesosde engargolado por rodillo. Los trabajos futurosestaran encaminados hacia el ajuste en la defini-cion y los parametros del proceso de engargoladopor rodillo para mejorar la calidad del ensamble,ası como tambien en el analisis de la sensibilidadde los parametros involucrados en el proceso.



Referencias[1] E. Atzema, Finite element simulations of

the hemming process, Proceedings del NU-MIFORM ´98, 1998.pp. 933-939.

[2] C. Holmer, A. Larbrant, Finite elementanalyses of the hemming process, Depart-ment of Mechanical Engineering, Universityof Karlskrona/Ronneby, 2000.

[3] H. Livatyali, Improvement of hem qualityby optimizing flanging and pre-hemmingoperations using computer-aid die design,Journal of Materials Processing Technology98(2000) 41-51.

[4] M. Svensson, Hemming Simulation, Pro-ceedings del NUMIFOMR ´98, 1998, pp.925-931

[5] M. Svensson, K. Mattiasson, Three-dimensional simulation of hemming withthe explicit FE-Method, Journal of Ma-terials Processing Technology 128 (2002)142-154

[6] S. Thuillier, Numerical simulationof theroll hemming process, Journal of MaterialsProcessing Technology 198 (2008) 226-233

[7] Xing Hu, Fracture limit prediction forroller hemming of aluminum alloy sheet,Materials and Design 31 (2010) 1410-1416,2009

[8] N. Le Maout, Influence of prestrain on thenumerical simulation of the roller hem-ming process, Journal of Materials Proces-sing Technology 212(2012) 450-457

[9] Tian, H., Kang, Determining sheet metalhardening curve by laminated specimen,Article, Trans Tech Publications, 2004.

[10] ESI Group, PAM-STAMP 2G & PAM-TUBE 2G, User’s Guide, ESI Group, 2009.


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