Ensuring Perfect Riveting in Productive Environments

Introduction to riveting

Riveting is a joining process that permanently attaches two or more structural elements of an assembly by deforming a rivet. Unlike screwing, which is a removable joint, riveting creates a durable joint that can only be undone by cutting or drilling the rivet.

This procedure is common in the assembly of parts in various industries, especially in applications where a stable, vibration-resistant fastening is required. The rivet is the essential component in this type of joint. It is a metallic element, generally cylindrical, which is deformed at its end to secure the joint. There are different types of rivets, from solid rivets to blind rivets, which allow the joint to be made from only one side without the need to access both sides of the material.

The figure below shows a cross section of a riveted joint assembly connecting parts 1 and 2 by means of a rivet, representing, for example, the joint between two metal sheets or foils.

Description of the riveting process

To explain the riveting process we will assume a type of rivet which would be the blind rivet. The steps would be as follows:

1. Part and Hole Preparation: The parts to be joined must be aligned and a hole drilled in both parts. This hole should be of adequate diameter so that the rivet will fit snugly without having too much play.

2. Rivet Insertion: The blind rivet is inserted into the hole of the parts. The rivet has a tubular body and a protruding shank or mandrel.

3. Inserting the Riveting Tool: The mandrel tip is inserted into the riveting tool (manual or pneumatic), which is designed for blind rivets. This tool will hold the mandrel to apply force on it.

4. Tool Actuation: The riveting tool is activated. When tightened, the tool pulls the mandrel upward while the rivet body remains in place inside the hole.

5. Deformation of the Rivet Body: As the mandrel is pulled toward the tool, the blind end of the rivet body widens (deforms) forming a “bulge”. This flaring creates pressure on the material from the opposite face and secures the two parts together.

6. Mandrel Breakage: When the required strength is reached, the mandrel breaks at its predetermined weakening point. The remaining part of the mandrel will remain inside the rivet body, providing additional rigidity.

7. Completion: The tool is removed, and the blind rivet is firmly set, joining the parts permanently.

As can be deduced, in the case of the blind rivet, the shank/mandrel and the rivet body are required to be of a different material:

• The body is chosen with a softer material to facilitate expansion during installation. This could be aluminum, stainless steel or galvanized steel.
• The mandrel must be stronger and tougher to withstand the necessary tensile forces without breaking (it only breaks at the end, when required). It is usually made of a higher strength steel.

Importance of accurate riveting in the production process

Performing a riveting process properly has a direct impact on:

• Quality: A deficient riveting is a defect in the product that will affect its function and/or appearance, generating dissatisfaction in the customer.
• Safety: There are industries such as aeronautics or automotive in which some parts need to have a perfect riveting, since the components need to be firmly joined, otherwise, under load, vibration or stress conditions, they will compromise the safety of the users.
• Durability: A well done riveting ensures the durability of the assembly, prolonging the useful life of the product.
• Time and cost optimization: As with any defect, poor riveting, if detected, will generate rework that directly affects line efficiency.
• Compliance with norms and standards: Especially in regulated industries, assembly processes must comply with specific standards. Quality riveting helps ensure that the final product meets requirements and passes all necessary quality inspections.

Tipos de remaches y sus aplicaciones

Tenemos los siguientes tipos de remaches:

• Remache sólido: Se trata de un cilindro de metal macizo. Es el más resistente y se utiliza en aplicaciones críticas como aeronáutica. En este caso, primero se introduce el remache y se asegura que sobresalga por el lado opuesto, después se golpea con una herramienta (martillo) compromiendo el extremo opuesto y creando una unión permanente. La diferencia con el remache ciego, explicado anteriormente radica en que el sólido requiere acceso a ambos lados, mientras que el ciego no.
• Remache tubular: Tiene un cuerpo hueco, facilitando el remachado con menor esfuerzo. Se usa en ensamblajes ligeros. La forma de proceder al proceso de remachado es igual que en el caso del remache sólido.
• Remache semitubular: Similar al tubular, pero con un orificio parcial en uno de los extremos. Usado en ensamblajes donde la fuerza requerida no es tan alta como con un remache sólido, pero se busca una unión más fuerte que con uno tubular (por ejemplo, juguetes). La forma de proceder al proceso de remachado es igual que en el caso del remache sólido.
• Remache ciego o pop: El remache ciego es de los más utilizados en la industria debido a su versatilidad, facilidad de instalación y capacidad para trabajar desde un solo lado de la unión. Su funcionamiento lo hemos explicado por pasos en "Descripción del proceso de remachado".
• Remache de golpe: Se expande mediante un martillazo o impacto y permite trabajar desde un solo lado de la unión.
• Remache roscado o insertable (tuerca remachable): En este tipo de remache la tuerca se coloca en el orificio y se engancha al vástago con la herramienta, que aplica una tracción para expandir la tuerca y fijarla al material, y luego libera la herramienta dejando el vástago intacto mientras la tuerca queda firmemente instalada con la rosca interna accesible. Proporciona una rosca interna para fijar tornillos.

Herramientas esenciales para un remachado eficaz

En entornos de producción de alta cadencia, las herramientas utilizadas para realizar remachados tienen que ser rápidas y confiables. A continuación se listan las herramientas más comúnmente utilizadas:

Remachadoras neumáticas

Una remachadora neumática es utilizada ampliamente en entornos productivos de alta cadencia, como la industria automotriz o aeronáutica. Las remachadores neumáticas están conectadas a una fuente de aire comprimido que se encarga de accionar el pistón dentro de la herramienta, que se encarga de producir el proceso de remachado.

Características de una remachadora neumática

• Alimentación con aire comprimido: Usa aire comprimido para accionar el pistón que genera la fuerza para insertar los remaches.
• Alta velocidad y potencia: Proporciona un golpe rápido y potente, lo que la hace ideal en entornos productivos donde tener un tiempo de ciclo eficiente es muy importante.
• Son verátiles: Puede manejar diferentes tamaños de remaches, dependiendo de la configuración y el diseño de la herramienta.
• Tienen un diseño ergonómico, para permitir un uso prolongado sin causar fatiga al operario.
• Control de presión: Muchas remachadoras neumáticas permiten ajustar la presión del aire para controlar la fuerza del remache.
• Mantenimiento reducido: Las remachadoras neumáticas tienen pocos componentes móviles, lo que reduce la necesidad de mantenimiento frecuente.
• Sistema de sujeción del remache: Incluye un mecanismo que sujeta el remache de manera segura antes de insertarlo.

Remachadoras hidráulicas

Las remachadoras hidráulicas usan un sistema hidráulico para generar la fuerza necesaria para accionar el pistón en la herramienta que se encarga del remachado. S

Características de una remachadora hidráulica

• Alta fuerza de presión: La presión hidráulica para generar más fuerza que los neumáticos, por lo que son ideales para remaches grandes o materiales gruesos que requieren mayor esfuerzo.
• Versatilidad: Pueden manejar diferentes tipos y tamaños de remaches, como remaches ciegos o estructurales.
• Portabilidad: Existen modelos portátiles y estacionarios, según las necesidades de producción.
• Son ergonómicas: Muchas están diseñadas para reducir la fatiga del operador durante el uso prolongado.
• Eficiencia: Su operación rápida y precisa las hace ideales para líneas de producción automatizadas o semiautomatizadas.

En comparativa con remachadora neumática, las hidráulicas con más permiten ejercer mayores fuerzas para el remachado, mayor control y son menos ruidosas al no tener la fuente de aire comprimido. Como inconvenientes, éstas remachadoras son más caras y más lentas que las neumáticas en la operación.

Prensas de remachado automático

Estas máquinas permiten realizar uniones remachadas entre piezas de forma automatizada.

El funcionamiento es el siguiente:

1. Carga automática de remaches a la herramienta mediante sistemas automatizados.
2. Posicionamiento de piezas en mesa de trabajo
3. Prensado: La máquina aplica fuerza (hidráulica, neumática o mecánica) para deformar el remache y realizar la unión entre piezas.
4. Control: Mediante sensores y otros sistemas se supervisa la calidad del remachado en tiempo real.
5. Expulsión: Las piezas ensambladas se liberan automáticamente, iniciando un nuevo ciclo.

Características de las Prensas de remachado automático

• Automatización: Permiten automatizar ciclos programables y repetitivos sin intervención manual.
• Alta Velocidad: Alta capacidad de remachados por minuto.
• Versatilidad: Adaptables a diferentes tipos y tamaños de remaches.
• Precisión: Sistemas de control avanzados garantizan la calidad del remachado.
• Integración: Compatibles con líneas de producción automatizadas.
• Mayor Seguridad: Barreras de luz y sistemas de protección para el operario.

Permiten mayor velocidad y control que las herramientas manuales arriba mencionadas. En cuanto a las desventajas la primera es su gran inversión y luego son máquinas bastante complejas que pueden no ser aptas para ciertas operaciones, además de requerir una mano de obra de mantenimiento especializada.

Parámetros importantes para un remachado eficiente

Los parámetros que se deben controlar para garantizar un remachado eficiente son:

• Fuerza de remachado: Normalmente medida en kilonewotons (kN), determina la deformación del remache y la unión de las piezas. Si la fuerza es insuficiente puede resultar en un remache flojo, mientras que si es excesiva podría dañar los materiales o deformar las piezas.
• Tiempo de ciclo: Medido en segundos, indica el tiempo que tarda la herramienta remachadora en completar un ciclo de remachado.
• Velocidad de remachado: Relacionado con el tiempo de cliclo, normalmente medido en mm/s, se puede desglosar en velocidad de avance (velocidad a la que avanza el pistón durante el remachado) y velocidad de retorno (velocidad a la que la remachadora regresa a su posición inicial)
• Presión hidráulica o neumática: Normalmente medida en bares (bar), las remachadoras hidráulicas o neumáticas dependen de la presión para funcionar correctamente, por lo que se debe asegurar que está dentro del rango recomendado.

Modos de fallo habituales en el proceso de remachado

• Utilización de remaches incorrectos: El hecho de usar remaches que tienen un diámetro o longitud inadecuados, o también un material inadecuado, puede tener como efecto una unión débil o incompleta o daño en las piezas ensambladas
• Remache mal posicionado: Posicionar mal el remache puede provocar una desalineación de las piezas ensambladas o un ensamblaje débil.
• Falta de remache: si falta un remache se puede perder la integridad estructural en el ensamblaje final y puede haber un riesgo de falla bajo carga o vibración
• Remache sin deformación: Podría pasar, si no ser encara bien la herramienta con las piezas a unir, y evidentemente no habrá unión entre piezas, con el mismo efecto que una falta de remache.
• Remache con deformación insuficiente: si se aplica insuficiente presión o fuerza durante el proceso de remachado, el remache no tendrá la deformación adecuada, lo que puede conducir a una unión débil que puede soltarse con el tiempo.
• Remache con deformación excesiva: Si se aplica más fuerza de la debida el remache se deformará en exceso pudiendo provocar daños en las piezas ensambladas o incluso una posible rotura del remache.
• Remaches con defectos de fabricación: Remaches con defectos de fabricación pueden provocar riesgo de fallo durante el uso del la unión remachada.
• Remaches dañados durante almacenamiento o manejo: los golpes o deformaciones en el remache pueden provocar uniones defectuosas.
• Remache incorrectamente alineado con el orificio: Si el remache no encaja perfectamente en el orificio, habrá una unión inestable o daños en el orificio o remache.
• Orificio del remache mal perforado: si el diámetro es incorrecto o tiene rebabas, el ajuste del remache será deficiente.
• Remache en posición incorrecta: Si el remache se coloca en un agujero incorrecto podría comprometer el ensamblaje general y causar problemas estructurales. Por ejemplo imaginemos que se pone un remache donde debería haber un tornillo.

Poka-Yokes para garantizar un remachado perfecto

Los poka-yokes más usados para prevenir fallos en el proceso de remachado son:

Sensores de proximidad

Este tipo de sensores detectan la presencia de objetos sin contacto físico (ver Poka-yokes: Los sensores de presencia de componentes sin contacto), por lo que nos valdrían para prevenir los siguientes modos de fallo:

• Falta de Remache: los sensores verificarán la presencia de los remaches en los agujeros que corresponda antes de continuar con el proceso.
• Remache en posición incorrecta: si colocamos un sensor cerca de un agujero en el cual no debería haber remache, si el sensor detecta presencia, debería bloquear para avisar al operario de que ahí no debe de haber un remache.

Sensores de fuerza o celdas de carga

Estos sensores sirven para medir la fuerza aplicada en tiempo real. Si esta fuerza supera el rango estipulado, ya sea por debajo o por encima, el sensor enviará una señal. Los modos de fallo que prevendrían serían pues:

• Remachado con deformación insuficiente: Si la fuerza aplicada es menor que el rango estipulado.
• Remachado con deformación excesiva: Si la fuerza aplicada es mayor que el rango estipulado.

Cámaras de visión artificial

Los sistemas de visión artificial son ideales para la inspección de las características visuales de un objeto dado, como su posición, tamaño, forma, defectos... Funcionan comparando con un patrón y los más actuales van aprendiendo conforme más datos van teniendo a través de Machine Learning e inteligencia artificial. Los modos de fallo que cubren pues, serán:

• Falta de remache: la cámara detectará si los agujeros que deberían tener remache están vacíos.
• Remache sin deformación: por ejemplo en el caso del remache ciego, la cámara puede buscar la "flor" (es decir que se ha deformado correctamente el remache), si ésta flor no está el remache está sin deformación.
• Remache en posición incorrecta: si un agujero no debería llevar remache, la cámara lo detectará.
• Remache incorrectamente alineado: la cámara también puede asegurar que el remache encaje correctamente en el orificio.

Sensores de presencia por peso

Este tipo de sensores podrían detectar la falta de remache por variación en el peso. No son muy utilizados.

Sensores de presión

Estos sensores verifican la presión de los sistemas hidráulicos o neumáticos. Los modos de fallo que cubren son:

• Remache con deformación insuficiente: el sensor detecta insuficiente presión en el sistema
• Remache con deformación excesiva: si el sensor detecta excesiva presión.