Avances en remachado y fijación mecánica

Una cabeza de remachado orbital completa su ciclo. Una aplicación de este tipo que involucre acero dulce y un martillo en un ángulo de 6 grados aplica solo alrededor del 20% de la fuerza que requeriría el remachado por impacto.

Cuando piensa en remachar, puede pensar que es una tecnología madura en la que no suceden muchas cosas nuevas bajo el sol. Tendrías razón, pero solo en parte. Sí, el remachado es una tecnología antigua. Coloque un remache en un agujero, aplique presión y deforme la espiga para crear la cabeza y creará una unión permanente.

Por supuesto, necesita que el orificio sea solo un poco más grande que el diámetro exterior de la espiga, es decir, el extremo del remache (o alambre o espárrago de bola) donde hace contacto la herramienta de sujeción; 6% a 7% es una buena regla general. Con esos parámetros básicos establecidos, está en camino de lograr el máximo relleno de orificios, que es un contacto sólido y sin espacios entre el remache y los materiales base.

Aunque estés en camino, aún no has llegado. Eso es porque el remachado no es una tecnología inmutable. Cuando piensa en el proceso en general como uno de los muchos métodos de sujeción mecánica permanente, encontrará que la innovación abunda. Todos se basan en la idea de aplicar presión para mover el material de una forma a otra, sin cambiar la estructura molecular del material (lo que los diferencia de otros procesos como la soldadura).

Podría tratarse de convertir una espiga sólida en un remache (remachado), una espiga hueca en un ensanchamiento (abocardado), una protuberancia en un agujero (replanteo) u otra situación. Lo que funciona mejor depende, como siempre, de la aplicación, incluido el grosor de la pieza de trabajo, los requisitos de resistencia de la unión, el volumen de la pieza y la flexibilidad requerida. Tienes muchas opciones, y cada una tiene sus pros y sus contras. Pero antes de profundizar, primero debe conocer las opciones de tecnología en el menú, junto con los ingredientes que pueden aprovechar al máximo cada proceso.

Los mecanismos de alimentación, que realmente definen el remachado de impacto, entregan sujetadores al área de trabajo de manera rápida y confiable. El sujetador para el próximo remache puede organizarse y estar listo en fracciones de segundo. Quite el mecanismo de alimentación y tendrá una prensa remachadora convencional, ya sea una prensa de volante, una prensa neumática de cabeza de cuña, una prensa de aire sobre aceite o incluso una prensa hidráulica. La prensa a elegir depende del tonelaje necesario para alterar un sujetador en particular en una pieza de trabajo determinada.

Con el remachado de impacto, la velocidad es el nombre del juego. Usando una prensa de volante neumática o mecánica, los tiempos de ciclo de remachado por impacto oscilan entre 0,3 y 1 segundo. Remachar con una prensa hidráulica puede llevar un poco más de tiempo. Los ciclos típicos para prensas hidráulicas o hidraneumáticas son entre 1 y 3 segundos, con la herramienta en su lugar en el área de trabajo para obtener el máximo "apriete" e hinchamiento del vástago, formando en frío la espiga para llenar el diámetro del orificio.

El remachado por impacto también ayuda a cumplir con los requisitos funcionales para ciertas aplicaciones, incluidos los requisitos de torsión o carga de corte. Es posible que un remache deba soportar una cierta cantidad de fuerza de torsión y, para lograrlo, debe minimizar o eliminar los espacios en la unión del remache. La alta fuerza y ​​el ángulo de impacto directo detrás del remachado de impacto crean el hinchamiento del vástago necesario para lograr esto.

Si bien el remachado por impacto ofrece una velocidad muy alta, también puede requerir un gran tonelaje, ya que el remache simplemente se introduce directamente a través del componente.

Un tonelaje excesivamente alto, ya sea por posicionamiento u otros errores, puede fallar y detener la operación. A menudo es sencillo solucionar estos problemas, pero cuando no lo es, es posible que desee recurrir a métodos de fijación alternativos.

En comparación con el remachado de impacto, el remachado orbital induce una fuerza considerablemente menor. El proceso utiliza una herramienta de martillo giratorio desplazada en un cierto ángulo. Debido a que la herramienta de martillo giratorio está ligeramente inclinada, aplica el movimiento del remache en un movimiento aparentemente tambaleante, pero no se deje engañar. Ese movimiento está altamente diseñado y controlado.

Un cabezal de remachado orbital aplica una línea de barrido de presión de 360 ​​grados alrededor de la espiga. La rotación hace que el proceso mueva solo un porcentaje del material por revolución.

La herramienta de martillo "masajea" o "amasa" el material a medida que la herramienta avanza y forma la cabeza. La rotación hace que el proceso mueva solo un porcentaje del material por revolución. En el remachado por impacto, por otro lado, todo el diámetro de la punta entra en contacto con la pieza de trabajo e intenta moverla toda a la vez.

Una aplicación de remachado orbital que involucre acero dulce y un martillo en un ángulo de 6 grados aplica solo alrededor del 20% de la fuerza que requeriría el remachado por impacto. A veces es incluso menos. En el remachado de impacto, un remache sólido de 0,25 pulgadas de diámetro normalmente requeriría una prensa de impacto capaz de producir 12 000 libras de fuerza; la misma aplicación en una configuración de remachado orbital puede requerir entre solo 1,800 y 2,400 lbs. de fuerza

El remachado orbital también es más controlable. Específicamente, puede controlar la tasa de avance de la herramienta Peen para mitigar el endurecimiento del trabajo y optimizar el proceso general. Y debido a que el remachado orbital utiliza una máquina de menor capacidad, generalmente requiere una inversión de capital menor y tiene menores costos de herramientas y mantenimiento.

El remachado orbital produce un abultamiento en el vástago concentrado cerca de la parte superior del cuerpo del remache. Si tuviera que cortar una sección transversal, el cuerpo del vástago del remache insertado se vería como un embudo. Cuando una pluma inclinada 6 grados desciende hacia el trabajo, se forma tanto hacia abajo como hacia afuera.

Suponiendo un ángulo de herramienta de 6 grados, el remachado orbital produce fuerzas de carga lateral que son aproximadamente el 10 % de lo que es la fuerza de formación hacia abajo. El diseño de accesorios es clave para garantizar que la pieza esté segura durante el proceso. Específicamente, el diseño de la luminaria debe ser lo suficientemente robusto para soportar esa fuerza de carga lateral del 10 % más un factor de seguridad.

El remachado orbital tiene sus desventajas, la principal es el tiempo de ciclo. La mayoría de los ciclos de remachado orbital duran entre 2 y 4 segundos, mucho más que los procesos de remachado de impacto más rápido. Además, el remachado orbital no puede crear el abultamiento de vástago profundo que puede lograr el remachado de impacto. Si un hinchamiento profundo del vástago es un requisito de ingeniería que no se puede cambiar, el remachado de impacto podría ser la mejor opción.

El remachado orbital es similar a un proceso llamado remachado radial, pero existen algunas diferencias clave, la mayoría de las cuales tienen que ver con la trayectoria.

En el remachado orbital, el martillo hace contacto en un cierto ángulo de, digamos, 6 grados. A medida que gira el cabezal, la herramienta de martillo mantiene el contacto, pero debido al diseño del cojinete del cabezal orbital, el martillo masajea o amasa el material de la pieza de trabajo, como se describió anteriormente. (Sin el diseño del cojinete del cabezal, el punto de contacto del martillo haría que el remachado orbital se asemejara más a un proceso de soldadura por fricción). Una revolución del motor en el remachado orbital produce 360 ​​grados de rotación de la herramienta del martillo.

El movimiento en el remachado radial, por otro lado, es más o menos análogo al movimiento que produce usando un juguete Spirograph, dibujando múltiples folletos a medida que avanza alrededor de un círculo. Se requieren múltiples revoluciones del motor de remachado radial, generalmente entre 11 y 13, para girar la herramienta de martillo 360 grados. Esto desplaza el material desde el centro hacia afuera en un patrón de roseta o florete. La velocidad de rotación del husillo en el remachado radial oscila entre 1140 y 1780 RPM, mientras que la mayoría de los husillos orbitales giran a 1140 RPM.

Una gran ventaja del remachado radial tiene que ver con las fuerzas que ejerce o, más específicamente, la falta de ciertas fuerzas. El remache radial no produce carga lateral, por lo que es una buena opción para remaches o piezas de trabajo de diámetro pequeño y vástago largo.

El remachado radial comienza su ciclo en una pieza de trabajo diminuta. El proceso no ejerce carga lateral, lo que puede simplificar la fijación.

El remachado orbital forma parte de una familia más amplia de procesos denominada formación orbital, en la que la herramienta de granallado se mantiene en un ángulo fijo para crear una línea de presión de barrido.

Esto incluye el replanteo orbital. En una aplicación de chapa, la herramienta de martillo (que tiene una geometría diferente a la que se usa en el remachado orbital) expande radialmente una protuberancia en una pieza de trabajo en un orificio de otra pieza de trabajo, creando un ajuste de interferencia. Es similar a una operación de replanteo convencional, pero en el replanteo orbital, la herramienta de penetración gira y vuelve a aplicar esa línea de barrido de presión 360 grados alrededor del área de trabajo.

Otra variación es la quema orbital. En lugar de un remache sólido, el proceso utiliza una geometría de herramienta de martillo abocinada que abocina espigas de remache semitubulares o tubulares, que también se utilizan en el remachado convencional. Pero, de nuevo, en lugar de que una prensa descienda y aplique fuerza hacia abajo, el abocardado orbital utiliza una pluma que gira en un ángulo fijo. La pluma giratoria desciende y aplica una cantidad precisa de fuerza para ensanchar la espiga sobre el material base.

Supongamos que está uniendo un espárrago de bola duro a una placa de soporte, uniendo un alambre de percusión a una placa de soporte o trabajando con algún otro material que sea más duro que el acero dulce. Cuando intenta moldearlo en frío, comienza a fracturarse y agrietarse antes de lograr la forma final deseada.

Aquí es donde puede ayudar el conformado en caliente. Es muy similar a una soldadura de tuerca de proyección o un proceso de soldadura por resistencia similar. La principal diferencia es que no está soldando dos piezas juntas. Mientras hay un vínculo, no se produce fusión.

En el conformado en caliente, una herramienta desciende y hace contacto con el extremo de un remache o una espiga endurecidos. Al entrar en contacto, la herramienta pasa corriente a través del remache y aísla la resistencia en un área determinada, generalmente hasta un punto en el que el remache se vuelve rojo cereza, acercándose a un estado fundido. Una vez que la cabeza aplica presión, el calor resultante permite que el material fluya hacia abajo a través de la junta, lo que maximiza el relleno del orificio para producir una forma de cabeza terminada.

El aislamiento térmico es clave aquí. El controlador del proceso debe asegurarse de aplicar una cantidad significativa de calor a la espiga, pero no al material principal circundante. El material principal se calentará hasta cierto punto cerca de la interfaz de la junta, pero no de manera significativa; de lo contrario, corre el riesgo de distorsionar o incluso soldar las piezas de trabajo. Si no se controla el calor, tampoco lo es el proceso.

El conformado en caliente también puede ser ideal para aplicaciones en las que el producto final está expuesto a fuertes vibraciones durante períodos prolongados. Si expone cualquier conjunto de unión con incluso un pequeño espacio a vibraciones intensas y prolongadas, el espacio crecerá con el tiempo y eventualmente debilitará la unión. Una vez más, maximizar el relleno del agujero, junto con una mínima o ninguna fractura del material, es el resultado clave deseado.

Más que otros procesos de fijación mecánica, el conformado en caliente le brinda la mejor oportunidad para maximizar el relleno de orificios en la junta. Aún debe seguir las pautas básicas de diseño, como que el diámetro del orificio sea entre un 6% y un 7% más grande que la espiga. Pero si está trabajando con una espiga más dura, como una que tenga entre 28 y 32 Rockwell C, el proceso de recalcado en caliente podría brindarle la mejor oportunidad de llenar los espacios entre esta y el material principal y minimizar la fractura del material.

Debe asegurarse de que la espiga sobresalga lo suficiente de la preforma por encima de la superficie superior de la lámina de metal (u otro material principal), ya que soporta una carga de retención mínima en la dirección axial de la junta. Pero una vez que el martillo aplica electricidad a la espiga, el material fluirá hacia un camino de menor resistencia, incluso dentro de esos espacios. Dicho de otra manera, la resistencia eléctrica que genera el calor ayuda a la formabilidad, mientras que la presión aplicada asegura que el material fluya hacia los lugares correctos.

Las herramientas de penetración orbital se pueden diseñar para una variedad de formas de cabeza.

Los procesos discutidos aquí involucran la fijación de superficies planas como láminas de metal, pero otros involucran tubos y una variedad de otras formas cilíndricas. En cualquier caso, todo esto es solo la punta del iceberg de la fijación mecánica permanente. Existen más opciones y abunda el potencial para la ingeniería de valor.

Pero sea cual sea el método exacto, cualquier estrategia de fijación permanente debe cumplir con las demandas de rendimiento de fabricación y los requisitos estéticos y funcionales de una pieza. Se trata de mover el material a los lugares correctos y de la manera correcta para que eso suceda.

Bryan Wright es vicepresidente de ventas en Orbitform, 1600 Executive Drive, Jackson, MI 49203, 517-787-9447