WO2010063866A1 - Procedimiento y dispositivo para detección de defectos de embutición - Google Patents

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Jose Antonio CARIÑO VÁZQUEZ
Jesús MORANDEIRA REGO
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Gestamp Vigo, S.A.
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    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
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    • B21D22/20—Deep-drawing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D24/00—Special deep-drawing arrangements in, or in connection with, presses
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/72—Investigating presence of flaws

Definitions

  • the present invention refers to a method and device for the detection of drawing defects, and more specifically for the detection of stretch or limit thinning and fissures or breaks produced in deformation by drawing of sheet metal parts, in particular rectangular flat formats, trapezoids and / or silhouettes, without welding or welded, which are used as elements that constitute the bodies of cars.
  • Both forms of defects mean a weakening of the cross section of the sheet metal and lead to a rejection of damaged parts.
  • the method and device for the detection of drawing defects solves the problem of the current state of the art to achieve a procedure for the identification of the type of defect and the detection during the drawing process, by a thermographic analysis for the detection of defects in the drawing of sheet metal, taking into account that it is characteristic for the deformation by drawing that during an transformation process an alternation takes place, for one or several times, between compression and tensile stresses, in addition of friction
  • the deformation forces in the material and friction forces are transmitted to the sheet metal at a certain time during the process of transformation of the piece. That is, the piece receives energy. This energy is absorbed in the form of heat by the piece by raising its temperature locally in areas that suffer deformations.
  • This temperature will be higher the higher the deformation produced, and the greater the deformation, the greater the risk of a defect.
  • thermographic analysis is appropriate to determine the depth and lateral position of defects using thermography.
  • the heating caused during the stamping process can be analyzed in comparison with reference developments determined during drawing simulations and using FLD diagrams. Depending on the result of the thermography analysis, It then determines the quality of the stamped part and it is possible to control process parameters, such as the strength of the press stuffer, as well as to improve the level of oil in presses that have an oiler prior to stamping.
  • the main point of the invention is determined by the measure of carrying out during the drawing process a measurement of the temperature of the metal sheet, in the deformation zone, taking advantage of the energy itself, that is passive thermography. But also, by adding a heating element, defects can be analyzed in areas that do not suffer high temperature elevations, that is, active thermography.
  • the invention allows detection of reliable defects during real-time production.
  • the process according to the invention is particularly suitable for detecting defects in cold stamping deformation of metal work pieces of rectangular flat formats, trapezoids, and / or silhouettes, without welding or welding. But following the same concept can also be applied to other processes such as hot stamping or hydroforming.
  • a real-time treatment which allows you to take a Direct decision on the quality of the treated sheet metal. Workpieces affected by cracks can be extracted directly outside the manufacturing line.
  • the analysis of the signals that accompanies the process is carried out by means of a data processing unit with a corresponding control PC.
  • the calculation mechanism of the signal processor performs all arithmetic and logical operations with link to the data obtained.
  • the control PC controls the system in such a way that all operations are performed in the order of temporal and logical succession.
  • a drawing tool is used arranged in a press with a die and a male trader.
  • the tool for unloading the piece obtained by drawing or stamping at least one thermographic camera of temperature of the piece, arranged in the zone of maximum deformation, and a computer that processes the thermographic images is arranged.
  • the present invention therefore involves an automated non-destructive test procedure that employs a thermographic analysis technique to determine the location of defects in a metal part.
  • This procedure which preferably uses time-temperature data to objectively detect defects in a metal part by monitoring the variation of the temperature of a part using the heat generated during the stamping-drawing process, monitors the thermal time constants for each pixel of the part. surface of the piece.
  • a pixel is a rectangular image element in a series of images, while the resolution element is a rectangular area of the part surface corresponding to an individual pixel.
  • the device used to heat the surface of the piece is the drawing tool itself although the use of a heater is allowed if necessary.
  • Either method must be capable of producing a thermal jump with sufficient ambient temperature to allow thermographic monitoring.
  • the minimum necessary temperature that the piece has to reach is determined based on the thickness of the sheet metal and the type of defect to be detected. Normally, thin plates, for example, of a thickness of approximately 3 mm or less, only require a minimum thermal jump, while thick plates may require greater heating.
  • an infrared camera saves the thermal images of the piece.
  • the number of images depends on the desired resolution of the resulting thermal image, the speed of the camera, and the time constant for the particular piece. Approximately ten images can be used to establish a thermal image, while approximately twenty-five images normally provide adequate resolution, and approximately one hundred images establish a good thermal image resolution. Generally, up to about five hundred images can be obtained in the current state of video technology, with more than about twenty-five being preferred.
  • Figure 2. It is a partial perspective view of the drawing tool.
  • Figure 3. It is a perspective view of the newly processed sheet metal.
  • Figure 4 It is a perspective view of the processed sheet metal, outside the press line.
  • Figure 5 It is a schematic elevation view of the drawing or press tool.
  • Figure 6 It is a partial view of the sheet metal where changes in thickness are indicated during drawing.
  • Figure 7 It is a view similar to Figure 6, where changes in thickness are shown once the drawing is finished.
  • Figure 8. It is a perspective view of the unloading tool, where a robot picks up the part with the help of a handling claw.
  • Figure 9. It is a perspective view of the handling claw moving the piece.
  • Figure 10. It is a perspective view of the die and stuffer, once the piece is removed.
  • Figure 11. It is a perspective view of the thermal imager acting on the piece.
  • Figure 12 It is a partial view of a piece obtained with defect.
  • Figure 13 It shows a thermographic image where the area with defect is shown with higher temperature.
  • Figure 14 It is a perspective view of the same piece of Figure 4, once finished.
  • the sheet metal 1 is the work piece (steel or aluminum) of rectangular flat formats, trapezoids and / or silhouettes, without welding or welded, which are used as elements that constitute the car bodies, such as the case shown in the figures That refers to a door.
  • Figure 8 shows a robot that collects the embedded part with the help of a handling claw (see figure 9) with which the piece is moved for the next operation.
  • FIG 12 a part with a stretch or thinning is partially seen.
  • Figure 13 shows a thermographic image where the area with defect is shown with a higher temperature, as can be seen with the scale of tones on the right of this figure 13.
  • figure 14 shows the piece completely finished.

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Abstract

Procedimiento y dispositivo para la detección de defectos de embutición. Hace posible la detección de estiramientos o adelgazamientos limite y fisuras o roturas en la deformación por embutición o estampación de piezas de chapa metálica en una prensa, mediante el análisis de la temperatura producida durante la deformación por medio de termografia infrarroja y técnica de análisis de imagen para detectar dichos defectos. Para ello, inmediatamente después del proceso de embutición se efectúa en la chapa metálica una captación directa de la temperatura en la zona de deformación. Esta zona ha sido determinada previamente con la ayuda del diagrama FLD del material de la chapa metálica a analizar.

Description

PROCEDIMIENTO Y DISPOSITIVO PARA DETECCIÓN
DE DEFECTOS DE EMBUTICIÓN
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención, según se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva, se refiere a un procedimiento y dispositivo para la detección de defectos de embutición, y más concretamente para la detección de estiramientos o adelgazamientos limite y fisuras o roturas producidas en la deformación por embutición de piezas de chapa metálica, en particular de formatos planos rectangulares, trapecios y/o siluetas, sin soldadura o soldados, que se emplean como elementos que constituyen las carrocerías de automóviles.
En la embutición de piezas de trabajo metálicas debido a las fuerzas de deformación en el material de la chapa metálica (deformación de materiales) se puede llegar a la formación de estiramientos o adelgazamientos limite que pueden conducir en el caso extremo a roturas.
Ambas formas de defectos significan una debilitación de la sección transversal de la chapa metálica y conducen a un rechazo de las piezas dañadas.
Es por tanto objeto de la invención el aportar una técnica de ensayos no destructivos de una pieza para determinar la existencia de defectos utilizando termografia y a una técnica de análisis de imagen para detectar dichos defectos .
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Actualmente comienza a ser conocido y está empezando a emplearse técnicas de visión artificial al final de las lineas de prensa con el propósito de detectar posibles defectos de la embutición, sobre todo grietas.
Dicha técnica no está siendo del todo fiable debido a los inconvenientes de los brillos que aparecen en la inspección de superficies metálicas. Además, generalmente los sistemas de detección necesitan fuentes de luz infrarroja con objeto de evitar los reflejos de la chapa.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
En lineas generales el procedimiento y dispositivo para la detección de defectos de embutición, objeto de la invención, resuelve el problema del estado actual de la técnica para conseguir un procedimiento para la identificación del tipo de defecto y la detección durante el proceso de embutición, mediante un análisis termográfico para la detección de defectos en la embutición de chapas, teniendo en cuenta que es caracteristico para la deformación por embutición que durante un proceso de transformación tiene lugar una alternancia, por una o varias veces, entre solicitaciones a compresión y a tracción, además de rozamiento.
En una primera fase, las fuerzas de deformación en el material y fuerzas de rozamiento son transmitidas a la chapa metálica en un tiempo determinado durante el proceso de transformación de la pieza. Es decir, la pieza recibe energia. Esta energia es absorbida en forma de calor por parte de la pieza elevando su temperatura localmente en las zonas que sufran deformaciones.
Esta temperatura será mayor cuanto mayor sea la deformación producida, y a mayor deformación mayor riesgo de producirse un defecto.
En una segunda fase, una vez se ha retirado la pieza de la matriz empieza una disipación de energia que finaliza cuando la pieza se encuentra en equilibrio térmico.
Es conocido básicamente que una análisis termográfico es apropiado para determinar la profundidad y posición lateral de defectos utilizando termografia.
En este caso el calentamiento ocasionado durante el proceso de estampación puede ser analizado en comparación con desarrollos de referencia determinados durante simulaciones de embutición y ayuda de diagramas FLD. En función del resultado del análisis de las termografias se determina entonces la calidad de la pieza estampada y se puede llegar a controlar parámetros del proceso, como por ejemplo la fuerza del embutidor de la prensa, asi como mejorar el nivel de aceitado en prensas que dispongan de aceitadora previa al estampado.
Se prevé que esté adosado a la herramienta de descarga de la pieza, una cámara termográfica .
Cuanto mayor tiempo transcurra entre la deformación de la pieza y su análisis existirá una mayor disipación de energia y por tanto las imágenes son amortiguadas o falseadas. Esto perjudica a la calidad de los resultados de medida o a su análisis, respectivamente. En consecuencia, solo se pueden determinar fisuras y roturas en la chapa metálica, que conserven cierta temperatura (aun estén calientes) . Para ello, el análisis se realiza justo después de la primera operación de las que componen la linea de producción o lineas de prensas.
El punto principal de la invención está determinado por la medida de efectuar durante el proceso de embutición una medición de la temperatura de la chapa metálica, en la zona de deformación, aprovechando la propia energia, es decir termográfia pasiva. Pero además, añadiendo un elemento calefactor se puede analizar defectos en zonas que no sufran grandes elevaciones de temperatura, es decir, termografia activa.
La invención permite una detección de defectos fiables durante la producción en tiempo real. El procedimiento según la invención es particularmente apropiado para una detección de defectos en la deformación por estampación en frió de piezas de trabajo metálicas de formatos planos rectangulares, trapecios, y/o siluetas, sin soldadura o soldados. Pero siguiendo el mismo concepto puede ser igualmente aplicado a otros procesos como la estampación en caliente o el hidroformado . Acorde con la invención también es posible por tanto, un tratamiento en tiempo real, que permite tomas una decisión directa sobre la calidad de la chapa metálica tratada. Las piezas de trabajo afectadas de fisuras pueden ser extraídas directamente fuera de la linea de fabricación . El análisis de las señales que acompaña al proceso se efectúa mediante una unidad de tratamiento de datos con un PC de control correspondientes. El mecanismo de cálculo del procesador de señales realiza todas las operaciones aritméticas y lógicas con enlace de los datos obtenidos. El PC de control controla el sistema de tal modo que todas las operaciones se realizan en el orden de sucesión temporal y lógico .
Con el dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento objeto de la invención, se emplea una herramienta de embutición dispuesta en una prensa con una matriz y un macho pisador. En la herramienta de descarga de la pieza obtenida por embutición o estampado, está dispuesta al menos una cámara termográfica de temperatura de la pieza, dispuesta en la zona de máxima deformación, y un ordenador que procesa las imágenes termográficas .
La presente invención supone por tanto un procedimiento de ensayo no destructivo automatizado que emplea una técnica de análisis termográfico para determinar la localización de defectos en una pieza metálica. Este procedimiento que preferentemente utiliza datos de tiempo- temperatura para detectar objetivamente defectos en una pieza metálica monitorizando la variación de la temperatura de una pieza utilizando el calor generado durante el proceso de estampación-embutición, monitoriza las constantes de tiempo térmico para cada pixel de la superficie de la pieza.
En el contexto de la presente invención, un pixel es un elemento de imagen rectangular en una serie de imágenes, mientras que el elemento de resolución es un área rectangular de la superficie de la pieza que corresponde a un pixel individual. El dispositivo utilizado para calentar la superficie de la pieza es la propia herramienta de embutición aunque se permite el uso de un calentador en caso necesario.
Cualquiera de los dos métodos debe ser capaz de producir un salto térmico con la temperatura ambiente suficiente para permitir la monitorización termográfica . La temperatura minima necesaria que tiene que alcanzar la pieza está determinada en función del espesor de la chapa metálica y del tipo de defecto a detectar. Normalmente, chapas finas, por ejemplo, de un espesor de aproximadamente 3 mm o inferior, solo requieren un salto térmico minimo, mientras que las chapas gruesas pueden requerir un calentamiento mayor.
Los factores de superficie, incluyendo color y emisividad, son también importantes para determinar el grado de calentamiento al que debe llegar la pieza, mientras que las propiedades fisicas establecen el limite de calentamiento superior a una temperatura que no daña la pieza y/o la superficie de la misma. Con el fin de localizar y determinar el defecto, la superficie de la pieza debe alcanzar la temperatura deseada en un periodo de tiempo suficientemente corto, de modo que se inhiba el calentamiento del resto de la pieza.
Normalmente el calentamiento tiene lugar en milésimas de segundo para materiales finos y con hasta unos pocos segundos para materiales más gruesos o más grandes. Si el calor penetra la pieza, la precisión de la detección de fisuras disminuye.
Una vez la pieza es retirada de la matriz por la herramienta de descarga, una cámara infrarroja guarda las imágenes térmicas de la pieza.
El número de imágenes depende de la resolución deseada de la imagen térmica resultante, de la velocidad de la cámara, y de la constante de tiempo para la pieza en particular. Pueden utilizarse aproximadamente diez imágenes para establecer una imagen térmica, mientras que aproximadamente veinticinco imágenes proporcionan normalmente una resolución adecuada, y aproximadamente cien imágenes establecen una buena resolución de la imagen térmica. Generalmente, hasta aproximadamente quinientas imágenes pueden obtenerse en el estado actual de la tecnología del video, prefiriéndose más de aproximadamente veinticinco.
Para facilitar la comprensión de las características de la invención y formando parte integrante de esta memoria descriptiva se acompañan unas hojas de planos en cuyas figuras, con carácter ilustrativo y no imitativo se ha representado lo siguiente:
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Figura 1. Es una vista parcial en perspectiva, de la mesa de alimentación de la chapa metálica a la herramienta de embutición.
Figura 2. Es una vista parcial en perspectiva de la herramienta de embutición. Figura 3. Es una vista en perspectiva de la chapa metálica recién procesada.
Figura 4. Es una vista en perspectiva de la chapa metálica procesada, fuera de la linea de prensas.
Figura 5. Es una vista esquemática en alzado, de la herramienta de embutición o prensa.
Figura 6. Es una vista parcial de la chapa metálica donde se indican los cambios en el espesor durante la embutición .
Figura 7. Es una vista similar a la figura 6, donde se muestran los cambios en el espesor una vez finalizada la embutición .
Figura 8. Es una vista en perspectiva de la herramienta de descarga, donde un robot recoge la pieza con ayuda de una garra de manipulación. Figura 9. Es una vista en perspectiva de la garra de manipulación trasladando la pieza.
Figura 10. Es una vista en perspectiva de la matriz y embutidor, una vez retirada la pieza. Figura 11. Es una vista en perspectiva de la cámara termográfica actuando sobre la pieza.
Figura 12. Es una vista parcial de una pieza obtenida con defecto.
Figura 13. Muestra una imagen termográfica donde la zona con defecto se muestra con mayor temperatura.
Figura 14. Es una vista en perspectiva de la misma pieza de la figura 4, una vez terminada.
DESCRIPCIÓN DE LA FORMA DE REALIZACIÓN PREFERIDA
Haciendo referencia a la numeración adoptada en las figuras podemos ver cómo el procedimiento y dispositivo para detección de defectos de embutición, que la invención propone, tal como se observa en la figura 1 parte de la chapa metálica 1 que alimenta a la herramienta de embutición 2 que se observa en la figura 2 y en la que se puede ver la matriz 3 en la parte superior y el macho pisador 4 y el embutidor 5, en la parte inferior. La chapa metálica 1 es la pieza de trabajo (acero o aluminio) de formatos planos rectangulares, trapecios y/o siluetas, sin soldadura o soldados, que se emplean como elementos que constituyen las carrocerías de automóviles, tal como el caso mostrado en las figuras que se refiere a un puerta.
En la figura 3 se puede ver la chapa metálica 1 recién procesada, dentro de la herramienta de embutición 2. La pieza, aun no terminada de procesar, se muestra en la figura 4, fuera ya de la linea de prensas.
En la figura 5 podemos ver esquemáticamente representada la prensa actuando sobre una capa metálica a embutir .
Haciendo ahora especial referencia a la figura 6, podemos observar los cambios en el espesor durante la embutición y cómo a lo largo del proceso el espesor varia hasta finalizar la embutición (ver figura 7) .
En la figura 8 se muestra una robot que recoge la pieza embutida con ayuda de una garra de manipulación (ver figura 9) con la que se traslada la pieza para la siguiente operación .
Una vez la pieza es retirada por la herramienta de descarga (figura 10) y durante la manipulación de la misma hasta la siguiente operación, se presenta la pieza a la cámara termográfica 6 (ver figura 11) .
En la figura 12 se ve parcialmente una pieza con un estiramiento o adelgazamiento. La figura 13 muestra una imagen termográfica donde la zona con defecto se muestra con mayor temperatura, como puede observarse con la escala de tonalidades que figura a la derecha de esta figura 13.
Por último, la figura 14 muestra la pieza totalmente terminada .

Claims

REIVINDICACIONES
1.- PROCEDIMIENTO PARA LA DETECCIÓN DE DEFECTOS DE
EMBUTICIÓN, y más específicamente estiramientos o adelgazamientos limite y fisuras o roturas, en la deformación por embutición de piezas de chapa metálicas en una prensa mediante el análisis de la temperatura producida durante la deformación por medio de termografía infrarroja y técnica de análisis de imágenes para representar dichos defectos, caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
Durante el proceso de embutición se efectúa en la chapa metálica un proceso de deformación acompañado de fuerzas de fricción, en paralelo en el tiempo, que elevan significativamente la temperatura de la pieza en las zonas de máxima deformación.
Una captación directa de la temperatura de la pieza en esta zona de deformación mediante cámara termográfica y comparación de las imágenes de temperatura de la pieza captadas anteriormente para determinar las señales como defectos.
La pieza estudiada produce un patrón de temperaturas tipo por el hecho de estar involucrado en un proceso de embutición que produce calor, con lo que unos pocos grados de diferencia respecto a la temperatura normal de trabajo (de referencia) de la pieza muestran un comportamiento inusual, siendo la TIR capaz de capturar esta información de temperatura en tiempo real desde una distancia segura sin interacción alguna con la pieza. La detección rápida de defectos se realiza por la mayor densidad de corriente en el defecto que provoca una temperatura mayor que es detectada por la cámara termográfica .
2.- PROCEDIMIENTO PARA LA DETECCIÓN DE DEFECTOS DE
EMBUTICIÓN, según reivindicación 1, caracterizado por un control de calidad en línea de producción, estando la cámara termográfica adosada a la herramienta de descarga de la pieza metálica, minimizando las pérdidas de calor.
3.- PROCEDIMIENTO PARA LA DETECCIÓN DE DEFECTOS DE
EMBUTICIÓN, según reivindicaciones 1 6 2, caracterizado porque el análisis de las termografias de la pieza de alta frecuencia con elevada amplitud se utilizan para la detección de roturas en la pieza de chapa.
4.- PROCEDIMIENTO PARA LA DETECCIÓN DE DEFECTOS DE
EMBUTICIÓN, según reivindicaciones 1 6 2, caracterizado porque el análisis de las termografias de la pieza de alta frecuencia con pequeña amplitud se utilizan para la detección de fisuras en la pieza de chapa.
5.- DISPOSITIVO PARA DETECCIÓN DE DEFECTOS DE
EMBUTICIÓN, según el procedimiento de las reivindicaciones 1 a 4, con una herramienta de embutición dispuesta en una prensa con una matriz y un macho pisador, caracterizado porque en la herramienta de descarga está dispuesta al menos una cámara termográfica de temperatura de la pieza dispuesta en la zona de máxima deformación y un ordenador que procesa las imágenes termográficas .
6.- DISPOSITIVO PARA DETECCIÓN DE DEFECTOS DE EMBUTICIÓN, según la reivindicación 5, caracterizado porque la cámara termográfica permite realimentar la fuerza de embutición y la fuerza del pisador.
7.- DISPOSITIVO PARA DETECCIÓN DE DEFECTOS DE
EMBUTICIÓN, según la reivindicación 5, caracterizado porque la cámara termográfica permite realimentar la cantidad de aceite utilizado en la embutición, en prensas que dispongan de máquina aceitadora.
8.- DISPOSITIVO PARA DETECCIÓN DE DEFECTOS DE
EMBUTICIÓN, según la reivindicación 5, caracterizado porque tiene aplicación en procesos de estampado en frió y procesos de estampación en caliente.
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