ES2401018B1 - Procedimiento para el taladrado por fricción sin generación de viruta en aceros con contenido en zinc o recubiertos de zinc. - Google Patents

Procedimiento para el taladrado por fricción sin generación de viruta en aceros con contenido en zinc o recubiertos de zinc. Download PDF

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Deividi NARDI
Aitzol LAMIKIZ MENTXAKA
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Abstract

Procedimiento para el taladrado por fricción sin generación de viruta en aceros con contenido en zinc o recubiertos de zinc.#Procedimiento de taladrado por fricción de chapas de acero con contenido o recubrimientos de zinc mediante husillo, sin generación de viruta, que se lleva a cabo en una atmósfera de gas inerte. Gracias a la atmósfera inerte (de arón o helio por ejemplo) se consigue que la copa o rebaba resultante sea más homogénea.

Description

Procedimiento para el taladrado por fricción sin generación de viruta en aceros con contenido en zinc o recubiertos de zinc.
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La invención se encuadra en el sector técnico de los procesos de fabricación aplicados a chapas planas o curvas con recubrimientos de zinc, incluyendo los aceros electrocincados o galvanizados y los avanzados de alta resistencia.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
El taladrado por fricción es un proceso de fabricación que sustituye al taladrado convencional de placas o chapas delgadas. Los agujeros se obtienen gracias a la fricción entre la herramienta y la pieza, calentándose la región cercana al agujero de manera que el material se ablanda y la rebaba se conforma en un manguito o copa, sin formación de virutas. Las principales ventajas de este proceso, aparte de la mencionada ausencia de virutas, son una mayor superficie de roscado, larga duración de la herramienta, alta calidad superficial y óptimas tolerancias dimensionales de los agujeros.
El comportamiento del taladrado por fricción básicamente puede ser caracterizado por las fuerzas de avance y por el momento mecánico en la herramienta. Los esfuerzos dependen básicamente de las variables de entrada, herramienta y características mecánicas del material. Sin embargo la geometría del agujero y la resistencia del roscado tras la formación de la copa, dependen directamente de las propiedades del material empleado.
El proceso descrito por ejemplo en la patente US4454741 de Flowdrill, emplea el calor generado por la fricción entre la parte cónica de la herramienta y la pieza, lo que provoca un ablandamiento del material permitiendo penetrar en él y generando a su vez un manguito o copa en la salida del agujero. La parte cilíndrica de la herramienta es la encargada de definir el diámetro final del agujero. La mayor parte del material de la pieza en contacto con la herramienta pasa a formar parte de la copa generada en la parte inferior de la pieza, y otra pequeña parte del material genera rebaba en la parte superior.
En los últimos años en el sector automovilístico se están dando importantes cambios en cuanto a las exigencias de seguridad y peso, para conseguir una reducción del consumo y en consecuencia una menor contaminación. Actualmente para llevar a cabo la reducción de espesores de los diferentes componentes metálicos encontrados en un automóvil, como montantes, taloneras, refuerzos laterales, etc. manteniendo o aumentando la resistencia al impacto, se están empezando a utilizar los llamados aceros avanzados de alta resistencia (‘Advanced High Strength Steel’), como los aceros de doble fase galvanizados. Estos aceros están recubiertos de zinc, un elemento que presenta un bajo punto de fusión con respecto al punto de fusión del acero. Las altas temperaturas del proceso de taladrado por fricción ocasionan una interdifusión entre el substrato del acero y el propio recubrimiento de zinc, desarrollando en toda la interfaz del agujero defectos, principalmente en la copa inferior, tales como grietas, porosidad y defectos de acabado superficial. Estos defectos en el agujero degradan significativamente las propiedades mecánicas de las uniones atornilladas tras el proceso de roscado en el material.
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La invención tiene por objeto conseguir un taladrado sin virutas en placas o chapas cubiertas de zinc con una mayor homogeneidad y mejorar propiedades mecánicas de la copa. Para ello, propone un procedimiento de taladrado por fricción para aceros recubiertos de zinc en el que el proceso se lleva a cabo en una atmósfera de gas inerte, preferiblemente argón o helio. El taladrado se realiza preferentemente con un husillo cuya velocidad de rotación está entre 1500 y 2000 rpm. También preferentemente, la presión del gas se mantiene entre 15 y 24 l/min y la velocidad de avance del husillo es de entre 40 y 80 mm/min.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña la siguiente descripción de un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- es un esquema ilustrativo del sistema usado en el procedimiento de la invención en una vista frontal.
Figura 2.- es una vista frontal del sistema en uso.
Figura 3.- es una vista del producto final.
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Figura 4.- muestra una comparativa de un agujero y su copa producidos mediante un procedimiento según el estado de la técnica y mediante la presente invención.
Figura 5.- muestra una gráfica de la temperatura en función del caudal de gas.
Figura 6.- es una gráfica de la dureza en la copa respecto a la posición del borde y el caudal de gas.
Figura 7.- muestra imágenes tomadas con un microscopio electrónico en unas muestras según un proceso de acuerdo con el estado técnico y según la invención.
Figura 8.- muestra un análisis de la composición química de las copas de la figura 7.
Figura 9.- muestra la geometría de la herramienta de taladrado.
Figura 10.- muestra una gráfica de la temperatura en función de la velocidad de avance.
Figura 11.- muestra una gráfica de la temperatura en función de la rotación de husillo con dos espesores distintos.
Figura 12.- muestra la dimensión del diámetro del agujero en función del número de agujeros realizados por la herramienta.
Figura 13.- muestra un análisis metalográfico de la microestructura del acero empleado en los experimentos del invento.
Figura 14.- muestra una comparativa de las copas producidas mediante distintos parámetros de taladrado.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
En el proceso de taladrado por fricción de la presente invención, se logra realizar agujeros susceptibles a un pos proceso de roscado, con la posibilidad del proceso ser aplicado en chapas galvanizadas o electrocincadas encontradas en componentes utilizados en automoción, presentando agujeros roscados en chapas con un alto nivel de calidad y acabado de precisión. Además, el coste de fabricación es mayor en un sistema de taladrado convencional en comparación con el proceso de la patente, pues el sistema propuesto de taladrado por fricción en chapas con recubrimientos de zinc presenta un tiempo de ciclo corto, entre 3 y 6 segundos en función del diámetro del agujero y el espesor de material.
El procedimiento de la invención se lleva a cabo utilizando un sistema de soporte para fijación de la chapa (figura 1) que permite el correcto taladrado, fijándose la pieza en un útil (6). El gas inerte (de preferencia argón, aunque podría ser también por ejemplo helio) es generado con un caudal constante en el caso más común argón, es direccionado hacia la parte inferior de la chapa (3) a través de una boquilla (4) con 8 mm de diámetro interno y preferentemente de metal, fijada en la parte interna del útil, siendo el caudal constante durante el proceso. En los ensayos experimentales se ha comprobado y optimizado en función de los resultados de calidad dimensional y microestructural de los agujeros la mejor geometría y dimensión de la boquilla de salida del gas. Esa presenta una extremidad cónica con un ángulo de 45°, así como la distancia entre la chapa y la extremidad de la boquilla que se fija en 10mm, para todos los caudales de gas y espesores de chapa. El tamaño del útil (6) que soporta la chapa puede variar en función del espesor de la chapa o de la necesidad de distintas geometrías del material a taladrar. En relación a los gases utilizados, el argón proporciona generalmente una atmosfera más inerte de mejor protección frente a la oxidación, además presenta un menor coste en comparación con el helio.
La chapa de acero a ser taladrada (3) se fija al útil mediante tornillos o cualquier otro medio similar. El avance del husillo (2) en el eje (Z) vertical (Z) de la fresadora va perforando la chapa. Tanto el accionamiento del avance y retorno del husillo vertical la fresadora como el accionamiento y parada del gas protector pueden activarse manualmente o por medio de funciones especiales programadas en el control numérico de la fresadora a tal fin. En la figura 2 puede apreciarse el avance del husillo. En la figura 3 se observa el producto final, la chapa perforada y la rebaba o copa resultante.
El centro de mecanizado o fresadora, puede ser de cualquier arquitectura, número de ejes, manual, semiautomático o gobernado por control numérico. Las herramientas a utilizar pueden ser del tipo Formdrill® o de otro fabricante semejante, según la geometría de la figura 9 donde se presenta el diseño de la herramienta de taladrado por fricción y sus dimensiones. El diámetro del cuerpo cilíndrico ØC de la herramienta se escoge en función del diámetro final del agujero deseado. Es posible la aplicación de recubrimientos a la herramienta para incrementar la resistencia al desgaste, el coeficiente de fricción y modificar la conductividad térmica de la herramienta, sin embargo según estudios sólo se mejora la vida útil de la herramienta y no influye en la calidad del agujero.
Durante el procedimiento de la invención, los parámetros de rotación, avance de la herramienta y caudal son de preferencia: Rotación del husillo valores entre 1500-2000 rpm como máximo, velocidad de avance de herramienta con valores entre 40-80 mm/min y un caudal de gas entre 15-24 lts/min. La elección del mejor parámetro de taladrado dentro de ese rango de valores dependerá del espesor de la chapa y del diámetro del agujero a taladrar.
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De preferencia, el procedimiento se lleva acabo en un entorno donde se eviten las corrientes de aire externas durante el taladrado. El material no debe calentarse hasta la temperatura de evaporación del recubrimiento de zinc, (890°C), fenómeno que puede ocurrir si durante el proceso de taladrado se utiliza herramientas desgastadas, pues en función del número alto de agujeros se aumenta la fricción por la mala calidad superficial de la herramienta(ver figura 12).
En la figura 4 se observan las copas de dos agujeros practicados en las mismas condiciones de temperatura y velocidad de rotación y avance. A la izquierda se puede apreciar la copa generada sin el flujo de gas y a la derecha la copa resultante del procedimiento según la invención cuando se aplica argón.
La figura 5 muestra las temperaturas máximas del proceso en términos de velocidad de giro (1500 y 2000 rpm) y de flujo de gas de protección en una chapa de 0.9mm de espesor. De acuerdo con el flujo de gas, se observa que el uso de caudales más bajos conduce a una reducción de la temperatura máxima. A medida que disminuye la temperatura del proceso, se forma una copa de forma más cilíndrica y disminuye la posibilidad de grietas o defectos superficiales.
La figura 6 muestra los resultados de microdureza en las diferentes posiciones desde el borde del agujero en diferentes caudales de gas de protección en la chapa de 0.9mm de espesor. Una región de mayor dureza cerca de la pared del agujero fue notable, causado por endurecimiento por deformación y la reducción de tamaño de grano, pero dependiendo de la temperatura del proceso. Se puede observar que la dureza del borde del agujero es de 260HV, más alto que el material original.
En la figura 7 se puede apreciar un análisis con microscopio electrónico de barrido (SEM) de la vista superior de la rebaba. A la izquierda, la copa del agujero (16) sin añadir gas de protección, y a la derecha la copa del agujero (17) sin grietas ni defectos, perforada en una atmósfera inerte según la presente invención. Ese tipo de análisis es importante para verificar la presencia de grietas, así como otros factores cualitativos que juzgan el éxito del taladrado por fricción con gas inerte, como la tolerancia dimensional de diámetro interno, el espesor de rebaba y la dureza del borde del agujero taladrado.
La figura 8 muestra un análisis de energía dispersiva de rayos X (EDX) a través de la superficie en la copa del agujero (20 kV de tensión de aceleración) determinando así la composición química de los compuestos individuales. En la figura de la izquierda se puede ver el espectro 1 sin añadir gas de protección y a la derecha el espectro 2 añadiendo un gas inerte según la presente invención, siendo notable la disminución de óxidos metal bajo el proceso con gas de protección.
La figura 9 muestra la geometría de la herramienta de taladrado que está dividida en 6 secciones. Las herramientas de taladrado empleadas generalmente son de carburo de tungsteno con matriz de cobalto.
La figura 10 muestra la temperatura máxima que se alcanza en el proceso es dependiente de la velocidad de rotación y del avance de la herramienta. Se observa que para mayores velocidades de giro, se produce mayor fricción entre herramienta y pieza, lo que origina mayores temperaturas de proceso.
La figura 11 muestra la temperatura máxima en función del espesor de la chapa. Se observa que utilizando los mismos parámetros durante el proceso y distinto espesor de chapa la temperatura resultante es mayor cuanto mayor el espesor. Sin embargo, la temperatura del proceso está directamente relacionada con la velocidad de giro, limitándose a 2000rpm como rotación máxima.
La Figura 12 muestra la dimensión del diámetro del agujero en función del número de agujeros realizados por la herramienta. Se observa el aspecto de la herramienta en el estado inicial y final. La medición del diámetro de los agujeros se realiza con el fin de analizar de manera indirecta el desgaste de la herramienta. Si se estudia el diámetro de los agujeros realizados por medio de una herramienta con filo de corte, se comprueba que la dimensión del diámetro va disminuyendo como consecuencia del desgaste de la herramienta. En el proceso de taladrado por fricción, se experimenta justo lo contrario, como consecuencia del proceso el material de la pieza taladrada se va adhiriendo a la superficie de la herramienta lo que provoca un incremento progresivo en la dimensión del diámetro del agujero y aumento del coeficiente de fricción.
La figura 13 muestra un análisis metalográfico de la microestructura del acero Doble Fase empleado en los experimentos del invento. La figura de la izquierda muestra la microestructura en la zona del borde del agujero afectada térmicamente por el proceso de taladrado por fricción. Presencia de ferrita y martensita, típicas de estos aceros del material base. La fase clara es la ferrita y la oscura la martensita. El porcentaje de ambas fases depende tanto del contenido de carbono del acero como de la temperatura alcanzada en el proceso. Debido a la presencia de estos gradientes, en la misma rebaba vamos a tener diferentes zonas afectadas por el calor (HAZ). Las transformaciones microestructurales del acero de Doble Fase se producen principalmente en la zona del borde del agujero. Se comprueba en las figuras que no hay influencia del recubrimiento de zinc en la transformación microestructural. La figura de la derecha muestra la microestructura del material base.
La figura 14 muestra los resultados de calidad de la copa bajo distintos parámetros de taladrado. Las figuras A, B y C muestran las copas formadas sin grietas o fallos superficiales. Las figuras D, E y F muestran las copas con formación de grietas si utilizamos parámetros incorrectos o fuera de los rangos admisibles por el invento. Microgrietas o macrogrietas son generadas por la interrelación del substrato de zinc con la matriz metálica. Tales grietas se abren y propagan cuando el material es deformado.
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Claims (3)

  1. REIVINDICACIONES
    1.- Procedimiento de taladrado mediante husillo por fricción sin generación de viruta de chapas de acero con contenido o recubrimientos de zinc caracterizado porque se lleva a cabo en una atmósfera de gas inerte. 2.- Procedimiento de taladrado según la reivindicación 1 caracterizado porque el gas es helio.
    5 3.- Procedimiento de taladrado según la reivindicación 1 caracterizado porque el gas es argón. 4.- Procedimiento de taladrado según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el taladrado se realiza con un husillo cuya velocidad de rotación está entre 1500 y 2000 rpm.
  2. 5.- Procedimiento de taladrado según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la presión del gas se mantiene entre 15 y 24 l/min. 10 6.- Procedimiento de taladrado según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la velocidad de avance del husillo es de entre 40 y 80 mm/min.
    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS
    N.º solicitud: 201131583
    ESPAÑA
    Fecha de presentación de la solicitud: 30.09.2011
    Fecha de prioridad:
    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA
    51 Int. Cl. : B21J5/06 (2006.01)
    DOCUMENTOS RELEVANTES
    Categoría
    56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas
    A
    US 4454741 A (HOOGENBOOM ALOYSIUS J) 19.06.1984, todo el documento. 1-6
    A
    US 4428214 A (HEAD JR GLENN D et al.) 31.01.1984, todo el documento. 1-6
    A
    FR 2941638 A1 (INTER MECA) 06.08.2010, todo el documento. 1-6
    Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud
    El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:
    Fecha de realización del informe 30.04.2013
    Examinador A. Gómez Sánchez Página 1/4
    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA
    Nº de solicitud: 201131583
    Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) B21J Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de
    búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC
    Informe del Estado de la Técnica Página 2/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201131583
    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 30.04.2013
    Declaración
    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-6 SI NO
    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 1-6 SI NO
    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).
    Base de la Opinión.-
    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.
    Informe del Estado de la Técnica Página 3/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201131583
    1. Documentos considerados.-
    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.
    Documento
    Número Publicación o Identificación Fecha Publicación
    D01
    US 4454741 A (HOOGENBOOM ALOYSIUS J) 19.06.1984
    D02
    US 4428214 A (HEAD JR GLENN D et al.) 31.01.1984
    D03
    FR 2941638 A1 (INTER MECA) 06.08.2010
  3. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración
    El objeto de la invención, según se define por la reivindicación número 1, independiente, trata de un procedimiento de taladrado mediante husillo por fricción sin generación de viruta de chapas de acero con contenido o recubrimientos de zinc caracterizado porque se lleva a cabo en una atmósfera de gas inerte.
    No se ha encontrado el Estado de la Técnica un objeto con todas estas características; en particular no se ha encontrado un procedimiento de taladrado por fricción que haga uso de una atmosfera inerte. Los documentos citados, D01-D03, reflejan únicamente el Estado de la Técnica, y no son válidos para poner en cuestión la novedad o la actividad inventiva del objeto reivindicado.
    Se considera pues, que este objeto, definido por la reivindicación número 1 es nuevo y supone actividad inventiva.
    Informe del Estado de la Técnica Página 4/4
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