ES2345304T3 - Procedimiento y herramienta para clinchar chapas metalicas gruesas y utilizacion de la herramienta. - Google Patents
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Abstract
Herramienta de clinchado (20) para la fabricación de una unión resistente de una primera pieza metálica de trabajo (11) con una segunda pieza metálica de trabajo (12), incluyendo la herramienta de clinchado (20) una herramienta de estampación y una contraherramienta (30), que forman conjuntamente mediante deformación una unión clinchada de las dos piezas metálicas de trabajo (11, 12) que une la primera pieza de trabajo (11) con la segunda pieza de trabajo (12), presentando la herramienta de estampación un macho (21, 22) que está construido con simetría rotatoria con respecto a un eje de rotación (24) del macho, y que presenta un flanco (25), dispuesto concéntricamente con respecto al eje de rotación, y una superficie del extremo frontal (23) perpendicular con respecto al eje de rotación (24), teniendo el flanco (25) del macho, al menos en la zona inferior de transición (21) en dirección a la superficie del extremo frontal (23), una forma cónica, y presentando un ángulo de flanco (W, W1, W2) menor o igual a 10 grados, preferentemente menor o igual a 5 grados, caracterizada porque el ángulo de flanco (W, W1, W2) pasa de un primer ángulo (W1) inmediato al extremo de la zona inferior de transición (21), que lleva a la superficie de extremo frontal (23), a un segundo ángulo (W2) de una zona superior de transición (22), siendo el primer ángulo (W1) mayor que el segundo ángulo (W2), y porque en el proceso de transformación el macho al menos en parte es también estampado en las piezas metálicas de trabajo (11, 12) por la zona superior de transición (22).
Description
Procedimiento y herramienta para clinchar
chapas metálicas gruesas y utilización de la herramienta.
La invención se refiere a una herramienta de
clinchado para crear una unión resistente de dos piezas de trabajo
metálicas, según el concepto general de la reivindicación 1, a un
procedimiento para el clinchado de piezas metálicas de trabajo,
para crear una unión resistente, según el concepto general de la
reivindicación 9, y a la utilización de la herramienta de
clinchado según el concepto general de la reivindicación 14.
Las características del concepto general están
reveladas en la WO 2006/047848 A1.
El clinchado es un procedimiento de conformado y
encaje ya conocido desde hace tiempo. Este procedimiento también es
denominado de encaje por imposición. El clinchado es una tecnología
de unión por técnica transformadora por estampación y embutición,
la cual, según sea la forma de construcción, no necesita pieza
auxiliar de encaje.
Para el clinchado existen diversas variantes con
respecto a la creación del elemento de encaje. Una caracterización
del clinchado es posible del siguiente modo:
- -
- según la construcción del elemento de encaje: clinchado con o sin parte de corte;
- -
- según la forma matricial: matriz rígida y abriente;
- -
- según la cinemática de la herramienta: clinchado en una o varias etapas.
Lo que sigue se refiere primariamente al
clinchado sin parte de corte. Este procedimiento tiene ciertas
ventajas frente a los procedimientos convencionales que son
aplicados para la unión de chapas u otras piezas de trabajo, como
por ejemplo la soldadura, la soldadura por puntos, la unión mediante
remaches o remachado de un solo lado, y la utilización de remaches
estampados. Frente a los procedimientos convencionales de unión, el
clinchado sin parte de corte es más barato si se tiene en cuenta el
coste por unión.
El clinchado de chapas y otras piezas metálicas
de trabajo que son más gruesas de 4 mm, es conocido por la
20067047848A1. Como ha podido averiguarse en el marco de la presente
invención, en este procedimiento conocido las fuerzas de apretadura
son muy altas, lo que puede ocasionar el daño de las chapas o de las
piezas de trabajo al extraer el macho.
El cometido de la invención es un procedimiento
para clinchar chapas y portadores hechos de chapas gruesas,
preferentemente con grosores mayores de 4 mm, con fuerzas de
apretadura bajas, trabajándose con un destacamiento óptimo de
socavadura y un máximo grosor de cuello posible, para poder
garantizar una resistencia correspondientemente alta de la unión
clinchada. Además, se propone una herramienta correspondiente y su
utilización.
La solución de este problema se obtiene
- -
- para la herramienta, mediante las características de la reivindicación 1;
- -
- para el procedimiento, mediante las características de la reivindicación 9; y
- -
- para el uso, mediante las características de la reivindicación 14.
En las respectivas reivindicaciones
dependientes, se describen y definen ejemplos de construcción y
elaboraciones ventajosas de la invención.
Según la invención, es posible clinchar chapas y
viguetas de acero o perfiles de acero (aquí denominados de modo
genérico piezas de trabajo) con pocas fuerzas de apretadura,
teniendo al menos uno de estos elementos un grosor superior a 4
mm.
Para hacerlo posible, las herramientas de
clinchado han sido elaboradas y optimizadas. Las herramientas o
aparatos según la invención se caracterizan porque tienen un macho
en forma cónica con dos áreas de transición, presentando el área de
transición en la zona de las superficies de los extremos frontales
un ángulo mayor que el área de transición superior adyacente. El
ángulo de flancos mayor puede ser menor o igual a 10 grados, y
pasar a un ángulo de flancos de 5 a cero grados. El diámetro de este
macho tiene preferentemente un valor comprendido entre 10 mm y 35
mm. Son preferidos especialmente diámetros entre 12 mm (14 mm, 16
mm, 18 mm) y 20 mm o 25 mm, dependiendo este diámetro del grosor
de las piezas de trabajo a unir y de la resistencia y fuerza de
tracción necesarias.
Con la presente invención, el clinchado se
convierte en una alternativa real frente a la soldadura, que hasta
ahora es utilizada por lo general como procedimiento de juntura para
la unión de chapas o piezas de trabajo gruesas (por ejemplo una
chapa St-37, St-44,
St-55, St70 o chapa EN-S235, S275,
S460) o portadores (grosor < 4 mm). Pero el clinchado también
puede sustituir uniones remachadas y atornilladas.
Según la invención, pueden unirse chapas,
perfiles y otras piezas aisladas de metal, o piezas metálicas de
trabajo de diferente grosor y de diferentes materiales. En el
clinchado, la unión de dos piezas metálicas de trabajo se produce
exclusiva e inmediatamente a partir del material o los materiales
de las piezas metálicas de trabajo. Los elementos unidos mediante
clinchado son denominados aquí piezas de trabajo clinchadas.
La presente invención hace posible en mayor
medida aplicar uniones de piezas metálicas de trabajo, por ejemplo
uniones de acero o uniones de chapa perfilada o uniones de piezas de
chapa, o bien uniones de tiras de chapa o en general uniones de
chapa, para la construcción de ascensores y escaleras mecánicas,
pudiéndose fabricar mediante la técnica de clinchado entre otras
cosas una parte de la cabina de ascensor o del ascensor y/o del
cuarto de máquinas del ascensor, o de la estructura o del armazón
que sustenta una escalera mecánica.
Mediante la técnica de clinchado, también pueden
ser fijadas diferentes piezas de construcción sustentantes, así
como andamios, soportes, consolas, esculturas, chasis, paneles o
marcos.
Con la presente invención se crea una unión
indisoluble de dos piezas metálicas de trabajo, que además consigue
grandes fuerzas de sujeción (fuerzas de tracción y de
cizallamiento). Se pone de manifiesto que, expuestas a esfuerzos
dinámicos, las piezas de trabajo clinchadas así fabricadas presentan
un comportamiento de sujeción notablemente mejor que las uniones
soldadas por puntos.
Según la invención, se dejan unir sin problema
materiales recubiertos, pero también materiales no recubiertos, lo
que ofrece nuevas posibilidades en la elección del material,
especialmente en la construcción de ascensores y escaleras
mecánicas. Así, pueden ser unidas chapas y/o viguetas de acero
galvanizadas, lacadas o recubiertas de material plástico, sin que
el recubrimiento sufra daños ostensibles a causa del clinchado.
Otra ventaja del clinchado es que para la
creación de una unión no se necesitan agujereados, ni piezas
auxiliares de acoplamiento o piezas o material de unión. Pero la
ventaja principal del clinchado frente a procedimientos
tradicionales, consiste en los bajos costes de encaje. Además, no se
proporciona introducción o aportación de calor en las piezas de
trabajo a unir, lo que evita la deformación y penetración y los
cambios de estructura.
A continuación se describen otros detalles y
ventajas de la invención, tomando como base un ejemplo de
construcción y haciendo referencia a los dibujos adjuntos, que
muestran:
Figura 1, el macho de una herramienta de
clinchado y dos piezas de trabajo que han sido unidas mediante
clinchado, en una representación muy simplificada y
esquemática.
Figura 2A, un primer paso del clinchado según la
invención, en una representación esquemática, sin mostrarse las
dos áreas de transición del macho.
Figura 2B, un segundo paso del clinchado según
la invención, en una representación esquemática, sin mostrarse
las dos áreas de transición del macho.
Figura 2C, un tercer paso del clinchado según la
invención, en una representación esquemática, sin mostrarse las
dos áreas de transición del macho.
Figura 3A, un corte a través de dos piezas de
trabajo clinchadas.
Figura 3B, un corte parcial o detalle de una
zona de la herramienta de clinchado según la invención.
Figura 4A, un corte que muestra dos piezas de
trabajo clinchadas y una parte de la herramienta de clinchado (no
según la invención), teniendo el macho de la herramienta de
clinchado un diámetro de 12 mm.
Figura 4B, un corte que muestra dos piezas de
trabajo clinchadas y una parte de la herramienta de clinchado (no
según la invención), teniendo el macho de la herramienta de
clinchado un diámetro de 14 mm.
Figura 4C, un corte que muestra dos piezas de
trabajo clinchadas y una parte de la herramienta de clinchado (no
según la invención), teniendo el macho de la herramienta de
clinchado un diámetro de 20 mm.
Figura 5, un corte a través de un perfil de
acero, en el que ha sido fijado un perfil de chapa o de acero o un
ángulo de acero mediante dos uniones clinchadas.
Figura 6A, un corte a través de un macho según
la invención, representado de manera esquemática.
Como ya ha sido indicado al principio, en el
marco de la presente solicitud de patente se trata del clinchado
sin parte de corte. Este tipo de clinchado es un puro proceso de
conformado y encaje. La unión de las piezas de trabajo es realizada
meramente mediante imposición, en combinación con avellanado y
posterior aplastamiento.
La idea básica en el desarrollo de este
procedimiento sin parte de corte es sobre todo el perseguir una
mayor rigidez de unión como consecuencia de una mayor cohesión del
material.
El principio de la invención está representado
en la figura1 de modo puramente esquemático. Se muestran dos piezas
metálicas de trabajo 11 y 12, que son unidas mediante una unión
clinchada 13. Una parte de la herramienta de clinchado 20, que aquí
es denominada macho, se muestra por encima de la unión clinchada 10
o del punto de clinchado 10.
La herramienta de clinchado 20 incluye un macho
y una contraherramienta 30, que puede estar construida como matriz
o como yunque. El macho está concebido en simetría rotativa con
respecto a su eje de rotación 24. El macho presenta un flanco 25
dispuesto concéntricamente respecto al eje de rotación 24, con un
ángulo de flanco W. Con respecto a la superficie del extremo
frontal 23 del macho, situada en el extremo, en el flanco 25 se
distingue entre un área inferior de transición 21 del flanco 25 con
ángulo de flanco W1, colindante con la superficie del extremo
frontal 23, y un área superior de transición 22 del flanco 25 con
ángulo de flanco W2. Las dos áreas de transición 21, 22 continúan
una en la otra. Como se muestra en los ejemplos de construcción
según las figuras 1, 3B y 6A, este paso de una a otra áreas puede
ser discontinuo y presentar diferentes ángulos de flanco W1, W2.
Las piezas metálicas de trabajo 11, 12 a unir (por ejemplo dos
chapas de grosor t1 y t2 diferente o igual) son presionadas
mediante el macho, de modo parecido al troquelado o al aplastamiento
bajo deformación plástica, al interior de un vaciado o hueco o
espacio de deformación 31 de la matriz 30, como se muestra en las
figuras 2A a-2C. Mediante una conformación especial
del vaciado o hueco o espacio de deformación 31 se crea una unión
clinchada 13 que presenta una forma parecida a un botón, a un punto
de recalcado o a un punto de troquelado. La unión clinchada 13 une
las piezas metálicas de trabajo 11, 12 en arrastre de forma y de
fuerza, como se indica esquemáticamente en las figuras 1, 2C y 3A y
en las figuras 4A a 4C.
Las figuras 2A-2C muestran en
tres etapas la formación de la unión clinchada 13 sin parte de corte
con una contraherramienta 30, que está conformada como matriz
rígida. Esta matriz presenta en la zona de la superficie de
mecanización un vaciado o hueco o espacio de deformación 31,
deformando el macho las piezas metálicas de trabajo 11, 12
dispuestas sobre la superficie de mecanización, en una zona de
intersección o de solapamiento por encima del vaciado o hueco o
espacio de deformación 31, de tal manera que se crea una socavadura
f, a causa del flujo radial de los materiales hacia el interior del
vaciado o hueco o espacio de deformación u hoyo 31. En una primera
etapa según la figura 2A se puede apreciar que la primera pieza
metálica de trabajo 11 y la
segunda pieza metálica de trabajo 12 son dispuestas una adyacente a
la otra (es decir puestas una sobre la otra). Después las dos piezas
metálicas de trabajo 11, 12, dispuestas una sobre otra, son
preparadas conjuntamente sobre una superficie de mecanización de la
contraherramienta 30, en forma de matriz. En la figura 2B se
muestra cómo es aproximado el macho de la herramienta de estampación
20, y ya ha sido estampado parcialmente en las piezas de trabajo 11
y 12. En una zona de intersección o de solapamiento se deforman las
piezas de trabajo 11, 12 bajo la gran presión del macho, y el
material "fluye" al interior del vaciado o hueco o espacio de
deformación 31 de la matriz 30. El estampamiento o la impresión del
macho se produce hasta que la parte inferior 14 de la segunda pieza
de trabajo 12 se halla en gran medida en contacto con el fondo del
vaciado o hueco o espacio de deformación 31 de la matriz 30. En un
siguiente paso el macho es extraído (este paso se corresponde en
esencia con la situación mostrada en la figura 1).
Según la invención, para separar se utiliza
preferentemente un separador o pisón 40, que facilita la separación
del macho después de la deformación de las piezas metálicas de
trabajo 11, 12. Tal separador o pisón 40 es especialmente
ventajoso en caso de que el macho se quedara aprisionado en la unión
clinchada 13, a causa de las fuerzas surgidas con la conformación y
las deformaciones de material. El separador 40 se apoya (por así
decirlo) en la superficie 15 de la pieza metálica de trabajo 11
superior, situada por el lado del macho, mientras el macho es
retornado o retraído. Con conocimiento de la presente invención el
experto puede naturalmente realizar también un separador por el
lado de la matriz, en vez de un separador por el lado del macho.
Preferentemente las piezas metálicas de trabajo
11 y 12 a unir son presionadas contra la matriz 30 mediante un
pisón que es designado en la figura 1 por el número 41 o 40. La
herramienta de remachado 20 incluye un cilindro de presión (por
ejemplo un cilindro hidráulico, cilindro de gas comprimido, cilindro
neumohidráulico, o cilindro servoeléctrico), que produce el
recorrido hacia delante del macho hacia las piezas metálicas de
trabajo 11 y a continuación 12. En una primera fase, se produce el
recorrido hacia delante del macho (figura 2A), luego viene la fase
de estampamiento, en la cual el macho es estampado en las piezas
metálicas de trabajo 11, 12 y éstas son aplastadas y deformadas
(figuras 2B y 2C). Para finalizar se produce una fase designada
como recorrido de retroceso del macho (ver figura 1).
Como consecuencia de la presión de aplastamiento
durante el estampamiento se produce un flujo transversal del
material de las piezas de trabajo 11 y 12, a causa de lo cual la
matriz 30 con el vaciado o hueco o espacio de deformación 31, por
ejemplo en forma de una ranura anular (incorporada), es rellenada lo
más posible o completamente, y es creada una socavadura en la pieza
metálica de trabajo 11, situada por el lado del macho, y en la
pieza metálica de trabajo 12, situada por el lado de la matriz (ver
figura 3A). Para juzgar una unión clinchada 13, como se muestra en
la figura 3A, lo principal y de más importancia son la socavadura f
y el grosor de cuello tn, ya que la capacidad sustentadora de la
unión clinchada 13 está en directa correlación con estas magnitudes
indicativas. Una unión clinchada 13 y las piezas de trabajo 11, 12
pueden además ser caracterizadas por los siguientes datos: diámetro
interior di del elemento de encaje o macho, la altura sobrante h,
el grosor de fondo restante tb2 de la pieza metálica de trabajo 12
situada por la parte de la matriz, el grosor del fondo restante tb1
de la pieza metálica de trabajo 11 situada por la parte del macho,
el grosor de la pieza metálica de trabajo t2 del lado de la matriz,
el grosor de la pieza metálica de trabajo t1 del lado del macho, y
grosor de la pieza de trabajo completa tt. Un valor típico para la
socavadura f es 0.5 mm, y un valor típico para el grosor del
cuello tn es 1.5 mm.
Han sido realizadas diversas pruebas y
experimentos para optimizar el proceso de clinchado, en sí ya
conocido, y para modificarlo de modo que puedan ser clinchadas
piezas metálicas de trabajo 11, 12 de un grosor superior a 4 mm sin
que surjan fuerzas de apretadura demasiado altas. Se hicieron
simulaciones y a continuación fueron fabricadas diferentes
herramientas y fueron realizadas pruebas de encaje, para poder
comparar con la referencia de la simulación los cortes
transversales, las fuerzas de encaje y de pisón averiguadas (en
experimento). Como base para los análisis del dimensionado de las
herramientas sirvieron principios básicos de conformación de
herramientas para el clinchado sin parte de corte con matriz rígida
30.
Los primeros análisis han dado como resultado
que, para la creación de una unión clinchada 13, para un diámetro
menor de macho (diámetro D2 =12 mm o 14 mm) tienen que ser
empleadas fuerzas de encaje de aprox. 400 kN a 510 kN, y para el
diámetro mayor de macho (D2=20 mm) fuerzas de aprox. 670 kN
(incluida la fuerza de pisón. Estos resultados en sí se hallan en
el rango del resultado esperado. (Sin embargo a pesar de la
lubricación de la herramienta se produjo un fuerte agarrotamiento
del macho en la pieza de trabajo).
Análisis más detallados sobre el agarrotamiento
del macho han mostrado que el agarrotamiento es debido a una
tensión radial que actúa sobre el flanco del macho. Se sabe que
sobre todo aparecen tensiones radiales altas en la zona de
transición superior 22 del flanco 25. En un siguiente paso de
optimización se modificó la geometría del macho con el objetivo de
que actúe sobre el flanco 25 una tensión radial reducida. A causa de
que en las primeras variantes de herramienta los grosores del
cuello tn y los valores de socavadura f de los machos con los
diámetros D2=12 mm y D2=14 mm eran casi iguales, se procedió a
ulteriores optimizaciones. Se hicieron también análisis en piezas
de trabajo con diferente grosor global de la pieza de trabajo tt, y
con piezas de trabajo 11, 12 con respectivos grosores t1, t2
diferentes. Se comprobó que machos de uso corriente en el comercio
o convencionales no solo muestran la fuerte tendencia al
agarrotamiento cuando se pasa a grosores globales de pieza de
trabajo tt>8 mm, sino que en la zona entre las piezas de trabajo
11, 12 se produce un hueco (ver X en la figura 4C). Este hueco X
limita y reduce la resistencia de la correspondiente unión clinchada
13.
Los diferentes pasos de optimización han llevado
a la conclusión de que la conformación de los flancos del macho
influyen en el agarrotamiento y la producción del hueco X. Para
reducir o impedir totalmente estos dos efectos negativos, fueron
desarrollados y probados machos con forma al menos parcialmente
cónica. Eligiendo adecuadadamente el correspondiente ángulo de
flanco W, W1, W2, el agarrotamiento pudo ser reducido o
completamente impedido, sin que se produjera un hueco ostensible.
Se ha demostrado que estos dos efectos solo están relacionados en
parte, y en parte incluso se manifiestan en sentido contrario.
Mediante la elección de un área de ángulo adecuada pudieron
minimizarse ambos efectos.
En los análisis mostrados en las figuras 4A a 4C
y descritos a continuación, el macho, que no corresponde a la
invención, siempre tiene un ángulo de flanco de macho constante
W=5º, es decir D1<D2. O dicho con otras palabras, por lo menos
aquella parte del macho que al ser estampado entra en contacto con
las piezas de trabajo 11 y 12, se estrecha hacia abajo (es decir
hacia el extremo del macho que está por la parte de las piezas de
trabajo).
Algunos aspectos de los diversos análisis están
representados en las figuras 4A a 4C, ya que son válidos
análogamente para el macho según la invención. Se muestra el
comportamiento de flujo de las piezas de trabajo 11, 12 al
aplicarse machos de diverso diámetro. En la figura 4A se muestra
como se deforman las dos piezas metálicas de trabajo 11, 12 cuando
el macho tiene un diámetro de 12 mm. En la figura 4B se muestra como
se deforman las dos piezas metálicas de trabajo 11, 12 cuando el
macho tiene un diámetro de 14 mm. En la figura 4C se muestra como
se deforman las dos piezas metálicas de trabajo 11, 12 cuando el
macho tiene un diámetro de 20 mm. En los tres dibujos se muestra
una imagen del momento justo antes de iniciarse el recorrido de
retroceso del macho.
En las figuras 4A a 4C, se puede apreciar que el
diámetro D2 del macho influye sobre el flujo transversal de los
materiales o las piezas metálicas de trabajo. En el macho con el
diámetro de 12 mm el material de la pieza metálica de trabajo 12 no
fluye del todo al hueco formado por el vaciado o espacio de
deformación 31, como se puede apreciar en la zona designada con una
Y. En un macho de 14 mm se da un buen "relleno" del vaciado o
hueco o espacio de deformación 31. Si se utiliza un macho con
diámetro de 20 mm, aparece un hueco (designado con una X en la
figura 4C) entre las piezas de trabajo 11 y 12.
Como han mostrado los diversos análisis e
investigaciones, el diámetro del macho solo es uno de diferentes
parámetros que influyen directamente sobre el proceso de clinchado y
la resistencia de la unión clinchada 13. Se ha puesto de manifiesto
que al clinchar piezas de trabajo gruesas con tt>8 mm, la
conformación del flanco 25 juega un papel particularmente
importante y significativo.
Según esto, la presente invención se caracteriza
porque el macho, que es estampado para la deformación en las piezas
metálicas de trabajo 11 y 12, tiene una forma cónica. La forma
cónica del macho se extiende por lo menos por una parte (denominada
zonas de transición 21, 22) de la longitud L del macho que es
estampada o apretada en las piezas de trabajo 11, 12. La forma
cónica resulta de que el flanco 25 del macho, véase figura 3B, está
hecho en forma cónica al menos por la zona inferior de transición 21
y en dirección a la superficie del extremo frontal 23, y presenta
un ángulo de flanco W1 menor o igual a 10 grados, preferentemente
menor o igual a 5 grados. Como se muestra además en las figuras 1 y
6A, el ángulo de flanco W2 de la zona superior de transición 22 es
preferentemente de cero grados, o también preferentemente menor o
igual a 5 grados (ejemplos de construcción según las figuras 4A a
4C, así como 6A).
Han dado resultados especialmente buenos machos
con un diámetro D2 comprendido entre 10 mm y 20 mm y con un ángulo
de flanco W, W1, W2 que pasa de un primer ángulo W1 a un segundo
ángulo W2, siendo el primer ángulo W1 menor o igual a 10 grados, y
preferentemente menor o igual a 5 grados, y el segundo ángulo W2
menor o igual a 2 grados, y preferentemente de 0 a 1 grados. Aquí
el primer ángulo W1 se encuentra en la zona de transición inmediata
(inferior) 21 en dirección a la superficie del extremo frontal 23
(es decir en la zona del extremo del macho situado por la parte de
la pieza de trabajo), y el segundo ángulo W2 se encuentra por la
zona de transición (superior) 22 que se aleja de la pieza metálica
de trabajo 11, 12 o que se mantiene fuera o que sobresale hacia
afuera (es decir en la zona situada por la parte de la
herramienta).
Esta construcción de machos cónicos muestra una
tendencia al agarrotamiento marcadamente menor, y no se forman
huecos X (o poco acusados). Pero la ventaja de la tensión radial
reducida, y con ello de la menor tendencia al agarrotamiento, tiene
como "precio" la aparición del hueco X entre las piezas
metálicas de trabajo 11, 12. Es decir, el ángulo de flanco W, W1,
W2 no puede elegirse libremente, ya que entonces el hueco X se haría
demasiado grande, y la resistencia de la unión clinchada demasiado
pequeña.
Son ideales las formas de construcción del macho
en las que el repliegue del flanco o la reducción del flanco que
produce el ángulo de flanco no es demasiado grande, ya que en caso
de un repliegue del flanco o reducción del flanco demasiado grande,
la presión en dirección radial sobre las piezas de trabajo 11, 12 es
demasiado pequeña, y con ello se reduce el flujo transversal del
material o de la pieza de trabajo.
Los valores de ángulo indicados para W, W1, W2
también han dado buenos resultados porque las uniones clinchadas
creadas con estos machos presentan, para el grosor del cuello tn y
para la socavadura f, valores parecidos y comparables a los de los
machos de chapa fina puramente cilíndricos de uso corriente en el
comercio. Esto es un argumento a favor de una resistencia a la
tracción comparable e idéntica de las correspondientes uniones
clinchadas 13.
La forma cónica del macho se extiende por lo
menos a las zonas de transición 21, 22, con aquella longitud L del
macho, que son estampadas en las piezas de trabajo 11, 12. Esta
longitud L en piezas metálicas de trabajo cuyo grosor global de
pieza de trabajo tt>8 mm, puede calcularse del siguiente modo:
0,3 tt \leq L \leq 2 tt. Es decir, las zonas de transición 21,
22 de forma cónica corresponden a un valor entre tres décimas
partes del grosor global de piezas de trabajo tt, y el doble del
grosor global de piezas de trabajo tt.
Las diferentes formas de macho según la
invención son explicadas resumidamente a continuación, en base a las
figuras 1 y 6A.
Las resistencias resultantes que se consiguen
con los machos según la invención, por ejemplo con un macho con 12
mm de diámetro y un flanco de macho de 5º-0º (forma de construcción
2, figura 6A), ascienden por término medio a más de 50 kN o 55 kN.
En condiciones escogidas con especial cuidado, la fuerza de tracción
incluso se halla en aprox. 58 kN, y solo presenta una dispersión
nimia de pocos tantos por ciento.
Con la herramienta de estampación 20 según la
invención, también se pueden aplicar dos uniones clinchadas 13
vecinas (ver figura 5), para elevar más aún la resistencia de
tracción y la resistencia de cizallamiento. En este caso se ha
demostrado que la resistencia de tracción pudo ser elevada a valores
de casi el doble que con una sola unión clinchada 13. Las pruebas
podían ser cargadas por término medio con aprox. 118 kN.
Una herramienta de clinchado 20 especialmente
ventajosa presenta dos machos del mismo tipo, que están dispuestos
uno al lado del otro, y son capaces de unir la primera pieza de
trabajo 11 con la segunda pieza de trabajo 12 mediante dos uniones
clinchadas. Así son creadas dos uniones clinchadas al mismo tiempo,
con un movimiento de ajuste y un movimiento de estampación. El
ejemplo de una correspondiente unión doble por clinchado se muestra
en la figura 5. En el ejemplo mostrado se aprecia que, según la
invención, es posible por ejemplo unir una viga de perfil de acero
11 (primera pieza metálica de trabajo) con una chapa fina o llanta
de acero o hierro plano o perfil de acero o perfil de chapa o
ángulo de chapa perfilada 12 (segunda pieza metálica de trabajo),
mediante dos uniones clinchadas 13 adyacentes.
Para la conformación de fuerza del separador 40
hay que tener en cuenta dos criterios. Por un lado la fuerza de
separación o de separador tiene que ser mayor a la fuerza de
agarrotamiento del macho. Este valor naturalmente depende mucho de
la geometría del macho aplicado, como ha sido descrito, pero también
de la lubrificación o revestimiento de las herramientas. Fuerzas
máximas de expulsor de 30 kN a 40 kN han dado resultados muy
fiables. Con una conformación óptima de los ángulos de flanco W o de
la conicidad del macho, son suficientes fuerzas de expulsor de 25
kN. Para el macho de 5º-0º (forma de construcción 2, figura 6A)
puede incluso tomarse en consideración una mayor reducción de la
fuerza del expulsor, ya que aquí nunca se producirá un
agarrotamiento del macho.
En una forma de construcción especialmente
ventajosa, el separador 40 hace al mismo tiempo las funciones de
pisón (41) y tiene tales dimensiones que las piezas metálicas de
trabajo 11, 12 sufren una deformación lo menor posible, para
mantener lo menor posible la contracción deformadora de las piezas
de trabajo 11, 12, o la ausencia de la misma.
Con los machos y las herramientas de clinchado
según la invención, o las respectivas máquinas de clinchado que
presentan o poseen los correspondientes machos, pueden fabricarse
piezas de construcción o grupos constructivos o elementos de
construcción especialmente estables y fiables, de una manera lo más
simple, fácil, barata y fiable. El coste de estas piezas de
construcción o estos grupos constructivos o elementos de
construcción con uniones clinchadas 13, es menor que el de las
uniones soldadas, remachadas o atornilladas. Los costes de material
de unión para piezas de construcción o grupos constructivos o
elementos de construcción con uniones por clinchado 13 son nulos.
Además el tiempo de fabricación es limitado o reducido o disminuido
a un mínimo.
Según la invención, las uniones clinchadas 13
sin parte de corte pueden ser producidas también con matriz
abriente. Después del proceso de estampación, son presionadas hacia
afuera láminas de la matriz que descansan haciendo muelle, a causa
del flujo radial del material de la pieza de trabajo por debajo del
macho, y de esta manera se hace posible la formación de la
socavadura.
Además de las ventajas del clinchado
convencional, puede también aplicarse el clinchado sin matriz, en el
que se utiliza como contraherramienta 30 un yunque con superficie
de mecanizado plana, deformando el macho las piezas metálicas
individuales o las piezas metálicas o las piezas metálicas de
trabajo, dispuestas sobre la superficie de mecanizado, de tal
manera en una zona de intersección o de solapamiento, que se produce
un relieve por el lado del yunque, y luego, por flujo radial de los
materiales, una socavadura f local. A causa de su principio de
funcionamiento especial, el clinchado sin matriz presenta las
siguientes ventajas:
- -
- la calidad de la unión 13 no es menoscabada por un relleno entre el macho (de encaje) y la contraherramienta (yunque). Con ello disminuyen los requisitos de exactitud de la máquina de encaje.
- -
- Pueden eliminarse trabajos de ajuste que cuestan tiempo.
- -
- Disminuye el desgaste y aumenta la seguridad del proceso, ya que no pueden aparecer erupciones en el borde de la matriz.
- -
- Puede utilizarse el mismo yunque para todas las funciones de encaje. Ya no es necesario un cambio de matriz al cambiar la función de encaje, como ocurre con el clinchado tradicional.
- -
- Las uniones de encaje 13 son más planas y menos molestas que las uniones producidas con el clinchado convencional.
- -
- Es posible una modificación del grosor de chapa sin cambios de herramienta, lo que además ahorra tiempo de fabricación valioso.
- -
- Se efectúa sin problemas una modificación del aparejamiento de materiales.
- -
- El clinchado sin matriz aumenta el número de uniones clinchadas o puntos de encaje por juego de herramientas o por macho (de encaje).
Claims (16)
1. Herramienta de clinchado (20) para la
fabricación de una unión resistente de una primera pieza metálica de
trabajo (11) con una segunda pieza metálica de trabajo (12),
incluyendo la herramienta de clinchado (20) una herramienta de
estampación y una contraherramienta (30), que forman conjuntamente
mediante deformación una unión clinchada de las dos piezas
metálicas de trabajo (11, 12) que une la primera pieza de trabajo
(11) con la segunda pieza de trabajo (12), presentando la
herramienta de estampación un macho (21, 22) que está construido
con simetría rotatoria con respecto a un eje de rotación (24) del
macho, y que presenta un flanco (25), dispuesto concéntricamente
con respecto al eje de rotación, y una superficie del extremo
frontal (23) perpendicular con respecto al eje de rotación (24),
teniendo el flanco (25) del macho, al menos en la zona inferior de
transición (21) en dirección a la superficie del extremo frontal
(23), una forma cónica, y presentando un ángulo de flanco (W, W1,
W2) menor o igual a 10 grados, preferentemente menor o igual a 5
grados, caracterizada porque el ángulo de flanco (W, W1, W2)
pasa de un primer ángulo (W1) inmediato al extremo de la zona
inferior de transición (21), que lleva a la superficie de extremo
frontal (23), a un segundo ángulo (W2) de una zona superior de
transición (22), siendo el primer ángulo (W1) mayor que el segundo
ángulo (W2), y porque en el proceso de transformación el macho al
menos en parte es también estampado en las piezas metálicas de
trabajo (11, 12) por la zona superior de transición (22).
2. Herramienta de clinchado (20) según la
reivindicación 1, caracterizada porque la longitud total (L)
del macho que es estampada en las piezas metálicas de trabajo (11,
12) en el proceso de transformación, tiene forma cónica.
3. Herramienta de clinchado (20) según las
reivindicaciones 1 y 2, caracterizada porque el primer ángulo
(W1) es menor o igual a 10 grados y preferentemente menor o igual a
5 grados, y el segundo ángulo (W2) es menor o igual a 2 grados y
preferentemente de 0 a 1 grados.
4. Herramienta de clinchado (20) según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada
porque el macho tiene un diámetro (D2) comprendido entre 10 y 30 mm
o 35 mm, estando el díámetro (D2) preferentemente entre 12 y 20 mm
o 25 mm (inclusive).
5. Herramienta de clinchado (20) según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada
porque la contraherramienta (30) está construida como un yunque,
que presenta una superficie de mecanizado plana o lisa u
horizontal.
6. Herramienta de clinchado (20) según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada
porque la contraherramienta (30) está construida como matriz que
presenta un vaciado o hueco o espacio de deformación (31).
7. Herramienta de clinchado (20) según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada
porque incluye o presenta o engloba un pisón (41, 40) para la
fijación de las piezas metálicas de trabajo (11, 12) y un separador
(40) para la separación del macho después de la deformación de las
piezas metálicas de trabajo (11, 12).
8. Herramienta de clinchado (20) según
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada
porque presenta dos machos del mismo tipo, que están dispuestos uno
al lado del otro y que son capaces de unir la primera pieza
metálica de trabajo (11) con la segunda pieza metálica de trabajo
(12) mediante sendas uniones clinchadas (13).
9. Procedimiento para la aplicación de una
tecnología de unión por técnica de deformación por estampación y
embutición para crear una unión resistente de una primera pieza
metálica de trabajo (11) con una segunda pieza metálica de trabajo
(12), siendo formada, por transformación local mediante una
herramienta de estampación (20) y una contraherramienta (30), una
unión clinchada (13) que une la primera pieza de trabajo (11) a la
segunda pieza de trabajo (12), y que comprende los pasos de:
- -
- superposición y preparación o alineación de la primera pieza de trabajo (11) y de la segunda pieza de trabajo (12) sobre una superficie de mecanización de la contraherramienta (30),
- -
- aproximación de un macho de la herramienta de estampación (20),
- -
- estampación del macho en las piezas metálicas de trabajo (11, 12) ensambladas, hasta que el lado inferior de la segunda pieza metálica de trabajo (12) hace contacto con una zona de la contraherramienta (30),
- -
- extracción del macho,
caracterizado porque el macho presenta un
flanco (25) que, al menos en una zona inferior de transición (21)
en dirección a la superficie del extremo frontal (23), tiene una
forma cónica y presenta un ángulo de flanco (W, W1, W2) menor o
igual a 10 grados, preferentemente menor o igual a 5 grados, pasando
el ángulo de flanco (W, W1, W2) de un primer ángulo (W1) inmediato
al extremo de la zona inferior de transición (21) que lleva a la
superficie de extremo frontal (23), a un segundo ángulo (W2) de una
zona superior de transición (22), siendo el primer ángulo (W1)
mayor que el segundo ángulo (W2), y porque al estampar el macho, la
zona superior de transición (22) también penetra, al menos en
parte, en las piezas metálicas de trabajo (11, 12).
10. Procedimiento según la reivindicación 9,
caracterizado porque se aplica un separador (40) al extraer
el macho, para hacer posible una separación en caso de
agarrotamiento del macho o de la herramienta de estampación (20) en
las piezas metálicas de trabajo (11, 12).
11. Procedimiento según las reivindicaciones 9 y
10, caracterizado porque antes de la separación el separador
(40) es arrimado a la superficie (15) de la primera pieza de trabajo
(11), y porque durante la separación con ayuda del separador (40)
es ejercida una fuerza contra las piezas metálicas de trabajo (11,
12), mientras una fuerza que actúa en sentido contrario retrae el
macho.
12. Procedimiento según la reivindicación 9, 10
u 11, caracterizado porque la contraherramienta (30) está
construida como matriz que presenta un vaciado o hueco o espacio de
deformación (31) en la zona de la superficie de mecanizado,
deformando el macho las piezas metálicas de trabajo (11, 12),
dispuestas sobre la superficie de mecanización, (en una zona de
intersección o de solapamiento por encima de) el vaciado o hueco o
espacio de deformación (31), de tal manera que mediante flujo
radial de los materiales se forma una socavadura local (f) en el
vaciado o hueco o espacio de deformación (31).
13. Procedimiento según la reivindicación 9, 10
u 11, caracterizado porque se aplica como contraherramienta
(30) un yunque con superficie de mecanizado lisa o plana u
horizontal, deformando el macho las piezas metálicas de trabajo
(11, 12), alineadas o dispuestas sobre la superficie de mecanizado,
en una zona de intersección o de solapamiento de tal manera que
primero se forma un relieve por el lado del yunque, y luego por
flujo radial de los materiales una pequeña socavadura local
(f).
14. Utilización de una herramienta de clinchado
(20) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 8,
caracterizada porque es aplicada la herramienta de clinchado
(20) para unir fuertemente dos piezas metálicas de trabajo (11, 12)
mediante al menos una socavadura local (f), presentando las dos
piezas metálicas de trabajo (11, 12) un grosor total (tt) mayor que
8 mm.
15. Utilización según la reivindicación 14,
caracterizada porque la primera pieza metálica de trabajo
(11) es más gruesa que la segunda pieza metálica de trabajo
(12).
16. Utilización según la reivindicación 14 y/o
15, caracterizada porque la primera pieza metálica de trabajo
(11) o la segunda pieza metálica de trabajo (12) es un perfil de
acero o un perfil de chapa o un ángulo de acero o llanta de acero o
hierro plano o tubo perfilado o pieza plana o tira de chapa o una
vigueta de acero.
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