Una biela para auto F-1 se diseña para forjado en caliente (600 °C) en un dado (Matriz) impresor !l "rea pro#ectada de la pieza es de 6$00% mm & !l diseño del dado ocasionara la formaci'n de rebaba durante el proceso% as ue el "rea inclu#endo la crez% ser" de *000% mm & +a ,eometra de la parte es compleja !l material es una aleaci'n de titanio (i-6.l-/) esarrolle las si,uientes pre,untas2 a 3a,a un boceto de de la biela biela seleccionada seleccionada por usted% usted% con dimensiones dimensiones a escala% caractersticas caractersticas de la forma% dimensionamiento dimensionamiento del alma% radio de las esuinas # 4letes 5resente el esuema del diseño del proceso2 plano de separaci'n (criterio de ubicaci'n)% diseño del canal de rebaba (forma # dimensiones dimensiones % b% +)7 fuerzas # fricci'n actuantes 5recise 5recise el tipo de forjado en caliente (isot8rmico o no) # justi4ue su criterio b Calcule es esfuerzo de de 9uencia rele:ante% la fuerza de forjado% forjado% la presi'n presi'n del interfaz # muestre la distribuci'n de la misma en un ,r"4co con su respecti:o an"lisis de in9uencia en el proceso c etermine etermine el trabajo trabajo de de forja% la ener,a ener,a de forjado% la ener,a ener,a necesaria necesaria para deformar el material # la ener,a ue debe suministrar un martinete mec"nico ue se encuentra nue:o # en 'ptimas condiciones de trabajo% calcule su masa% su e4ciencia # estime la carrera carrera necesaria del martinete !:alu8 # analice el proceso si se realizase en una prensa idr"ulica% o si fuese necesario otro tipo de martinete d etermine etermine el material material del dado dado (matriz)% (matriz)% sus caractersticas% caractersticas% su dureza% dureza% la resistencia a la tensi'n # tipos de car,as a la ue est" sometido !;pon,a # precise precise su criterio de selecci'n
Datos de entrada:
=iela de F-1 Forjado en caliente (600 °C) con dado (matriz) impresor >rea 5ro#ectada2 6$00% mm& >rea inclu#endo la crez2 *000% mm & +a ,eometra de la parte es compleja Material2 .leaci'n de titanio (i-6.l-/) Solución: Biela: +a biela es una pieza interna de un motor de combusti'n interna ?u
funci'n es conectar el pist'n al ci,@eñal% se diseña con una forma espec4ca para conectarse entre las dos piezas ?u secci'n trans:ersal o per4l puede tener forma de 3% < o A !l material del ue est"n ecas es de una aleaci'n de acero o titanio o aluminio !n la industria automotor todas son producidas por forjamiento% forjamiento% pero al,unos fabricantes de piezas las acen mediante mauinado
+as bielas se diseñan con un per4l estructural tipo <% 3 # A !l per4l m"s utilizado es el tipo < Un motor de f1 multiplica por B el r8,imen de ,iro de un motor de calle% multiplica por / su potencia% # la :ida media pasa de &$0000 m a /$0 m 5ara alcanzar unas buenas aceleraciones es mu# importante usar marcas mu# cortas% pero por otro lado es mu# importante alcanzar una buena :elocidad punta lue,o tambi8n se necesita poder subir de :ueltas lo m"s alto posible +as relaciones de las caja de cambio de un coce con:encional dejan como desarrollo 4nal $D o 6D :elocidad en torno a B6-/1 mE por cada 1000 rpm% mientras ue en un F1 la marca m"s lar,a est" en torno a 16%$-&0%$ mE cada 1000 rpm lo ue le ase,ura alcanzar :elocidades entre B00 # B60 mE cuando se ,ira a unas 1000 rpm +ue,o en funci'n de la aerodin"mica # el par motor% la aceleraci'n # la punta ser"n ma#ores o menores 5ara ue un motor ,ire m"s r"pido basta con poner m"s cilindros 5ara una misma cilindrada el simple eco de pasar de 6 a 10 cilindros% ace ue la carrera de cada pist'n (recorrido m";imo del pist'n en un ciclo entero de combusti'n) sea m"s corta% lue,o la biela es m"s corta% m"s peueña en lnea ,eneral # m"s li,era !s l',ico ue se mue:a por tanto m"s r"pido Aleación de titanio Ti-6Al-4V: ?e conoce como i6.l/ a la aleaci'n de
titanio m"s utilizada% tanto en aplicaciones biom8dicas como industriales +a aleaci'n contiene aluminio # :anadio% se,Gn la composici'n2 i6.l/ !l aluminio incrementa la temperatura de la transformaci'n entre las fases alfa # beta !l :anadio disminu#e esa temperatura +a aleaci'n puede ser bien soldada iene alta tenacidad ?e trata de una aleaci'n alfa-beta !sta aleaci'n se produce en diferentes ,rados% siendo los m"s usados los de ,rado2 $% &B # &* +a :ariedad de ,rados est" relacionada con la cantidad de o;,eno ue tiene cada una de ellas # esto ace :ariar las propiedades mec"nicas de la aleaci'n Composición química
C---- H 0%0I Fe---H 0%&$I J&---H 0%0$I K&---H 0%0&I .l--- $%$-6%L6I ---- B%$-/%$I 3& l"mina H 0%01$I 3& barra H 0%01&$I itanio esto asta completar 100I ropiedades !ísicas
ensidad2 ,rEcmB2 /%/& 5unto de fusi'n2 NCENF2 16/*EB000 Calor espec4co2 OEP,cm2 $60 esistencia el8ctrica2 omcm2 1L0
Conducti:idad t8rmica2 QEm2 L%& Coe4ciente de dilataci'n t8rmica2 0-100NCENC2 %6R10-6 ropiedades mec"nicas
esistencia a la tracci'n2 M5a2 *6 M'dulo el"stico2 M5a2 &L ureza ocPQell2 C2 B6 uctilidad (.lar,amiento antes de rotura)2 10I aESa partir del boceto desarrollado% tenemos un punto de partida para las caractersticas m"s espec4cas del proceso% no obstante% es necesario un dimensionamiento adecuado el alma% a partir de la 4,ura *-&$% ?ce# Bed%p B/% se obser:a ue para un anco mnimo del alma de &$mm% se debe corresponder a un espesor mnimo de apro;imadamente $mm Con respecto al plano de separaci'n% se deben tener :arias consideraciones2 en primer lu,ar% este debe estar ubicado en el lu,ar donde se ori,inan los esfuerzos mnimos en el ser:icio% es decir en la lnea neutra de la forja Mediante un an"lisis de la direcci'n de desplazamiento en el material bajo deformaci'n% se obser:a ue posee un comportamiento caracterstico de la deformaci'n plana (debido a ue una de las ma,nitudes de la pieza se mantiene relati:amente constante% en este caso el lar,o de la pieza)% lo cual se re:ela% aciendo una :ista del 9ujo en la secci'n trans:ersal de la pieza e au se obser:a ue e;isten re,iones del material% ue tienden a presentar una ma#or di4cultad para el mo:imiento del material% la cual es la secci'n encerrada en la ima,en anterior% # mostrada au con m"s detenimiento ebido a la complejidad estructural presente en el llenado de esta secci'n% #a ue actGan componentes de desplazamiento radiales # lon,itudinales% se deduce ue esta es la re,i'n de llenado m"s difcil% # por lo tanto% el plano de separaci'n% di:idir" esta re,i'n trans:ersalmente en dos mitades i,uales% por lo cual se conclu#e ue el plano de separaci'n estar" ubicado en el plano orizontal de simetra de la pieza
Con respecto al canal de rebaba% se tiene en cuenta ciertas consideraciones de tipo ,eom8trico% en especial% las relacionadas con el cord'n de rebaba (o cord'n de matriz)% es decir% la zona de la pieza forjada% en forma de franja perif8rica de anco constante obtenida entre las dos partes de los troueles .l producirse la uni'n de los troueles% se produce una franja de espesor # anco b alrededor de la pieza forjada% # el material restante 9u#e a una zona m"s perif8rica separada de esta por el cord'n% denominada alojamiento o canal de rebaba% de anco + # espesor e
+a formaci'n de rebaba% permite e:acuar el material sobrante producido en la forja de la pieza% dado ue siempre se utiliza un e;ceso de material necesario (con el 4n de producir el llenado de la matriz) # adem"s reducir las tensiones internas producidas en el material% cuando se somete a un proceso de deformaci'n 5ara establecer las dimensiones apropiadas para el cord'n de rebaba% es necesario estudiar la situaci'n pro:ocada en el momento 4nal de la deformaci'n% lo cual muestra la 4,ura (tomada de Conformaci'n 5l"stica de Materiales Met"licos% OesGs del io) Como se obser:a% las paredes del cilindro (# por tanto las del trouel) no son rectas% sino ue poseen un "n,ulo T ("n,ulo de salida)% el cual es necesario para el f"cil retiro de la pieza del trouel Jo obstante% este "n,ulo es lo su4cientemente peueño en esta situaci'n% ue puede suponerse i,ual a cero .dem"s% debido a ue es un proceso ue actGa a presiones moderadas% # con deformaci'n :olum8trica% no es posible obtener aristas :i:as en la pieza% por lo cual se asi,nan radios de redondeamiento o empalme en las bases del cilindro% los cuales se muestran en el boceto anterior
+os :alores de p # % para un material determinado # a una temperatura determinada% pueden calcularse a partir de las correspondientes cur:as de umbrales de plasticidad% entrando en abscisas con los coe4cientes p S &rEd # r S E&V respecti:amente% donde2 p S coeficiente para la pieza% r S coe4ciente para la rebaba !l coe4ciente para la rebaba est" di:idido por & como consecuencia de ue la deformaci'n de la rebaba por aplastamiento se produce en un solo sentido +a presi'n p tiene el efecto de transmitirse sobre la cara frontal del anillo de rebaba (de lon,itud WrXd # de altura )% con una p8rdida de car,a a% ue en nuestro ejemplo% al ser rebaba central% ser" el :alor de las cur:as de umbrales de plasticidad correspondiente al coe4ciente S 3Ed ?i la rebaba fuera intermedia o frontal% los :alores de correspondientes seran diferentes !n la 4,ura 1$16 se an esuematizado los tres casos de posici'n de la rebaba # se an señalado los correspondientes :alores del coe4ciente !n consecuencia% sobre la cara frontal del anillo de rebaba% la presi'n resulta ser (p-a)
+a presi'n (p-a) obli,a a la rebaba a deslizarse entre los cordones de las matrices superior e inferior% a la :ez ue :a aumentando el di"metro del anillo de rebaba ue se :a formando .l aumento del di"metro del anillo de rebaba se opone una contra presi'n 5b consecuencia de la resistencia mec"nica del material caliente a un cambio de di"metro por tracci'n .l deslizamiento del material entre los cordones de matrices se oponen las fuerzas de rozamiento ue se ori,inan por el roce entre este material # los propios cordones% ue denominaremos 5e !n el euilibrio 4nal se cumple2 p-a S 5b A 5e
Jo obstante% para simpli4caciones del c"lculo% e;iste una forma de calcular tanto el anco V # espesor del canal de rebaba% con base en la ancura (o di"metro) # la complejidad de la pieza% lo cual se muestra a continuaci'n Con base a las medidas del boceto% se determina ue el anco de la pieza (desde una :ista superior)% es de 100mm% # con base a la tabla% le corresponde un :alor de V(b)S* # ()SVE6S*E6SBmm (dado la aruitectura compleja de la pieza) !n el mismo te;to de OesGs del io% es posible allar una tabla ue relaciona las medidas del cord'n de rebaba% con las dimensiones del canal de rebaba . partir de esta% tenemos ue (eE&)SB$mm% S% # b(+)S&6mm
Fuerzas # fricci'n actuantes en el canal de rebaba2
5b2 Contrapresi'n por resistencia mec"nica del material caliente a un cambio de di"metro por tracci'n 5c2 5resi'n entre los cordones ,enera fricci'n (5-a)2 +a presi'n ue obli,a a la rebaba a deslizarse entre los cordones !l conformado de la pieza debe ser en caliente e isot8rmico para e:itar ue se presente el fen'meno de la anisotropa% normalmente este se presente cuando en los Gltimos momentos la presi'n motriz es mu# ele:ada # las aristas est"n llen"ndose de material% las zonas pr';imas a esas aristas se enfran m"s ue la
masa pl"stica como consecuencia de las paredes fras del trouel este efecto ace aumentar la resistencia a la deformaci'n del material 5or esta raz'n debe acerse isot8rmico dES +a aleaciones de titanio reuieren matrices de superaleacion o YM (itanio-Yirconio-Molibdeno)% en las cuales se pueden formar las superaleaciones superpl"sticas 5ara e:itar la o;idaci'n de las matrices de aleaci'n de molibdeno se constru#en prensas especiales con espacios de trabajo al :aco +a lubricaci'n es :ital en la forja isot8rmica # en este caso espec4co para un material de trabajo de aleaci'n de titanio (i-6.l-/) se utiliza idrio o ,ra4to (.ne;o 12 tabla -/ +ubricantes comunes 5rocesos de manufactura ?ce# ercera edici'n) Caracteristicas de la matriz YM Z Mo (001$C-0$i-00Yr) Propiedades Fisicas
5unto de !bullicion 2 /61& C ensidad [ &0 C 2 10&& ,EcmB 5to de Fusion 2 &$00 - &600 C Propiedades Electricas
esisti:idad !lectrica [ &0 C2 $B - $$\]Ecm Propiedades termicas
Coe4ciente de !;p +ineal [ &0 - 100 C 2 $BR10 -6 -1 Conducti:idad ermica [ 5 2 1&6 ^Em- emperatura de m";imo uso en aire 2 /00 C Propiedades mecanicas
!lon,acion 2 H &0 I Modulo de !lasticidad 2 B&0 _5a !sfuerzo a ension 2 $60 - 11$0 M5a !sfuerzo de ension[ 600°C2 6BB Mpa ureza2 &&0 53 (!scala icPers)
!l diseño ue inclu#e ,ra4to en el substrato de molibdeno se a preferido para la etapa del proceso +a principal :entaja de esta soluci'n es la similitud de los coe4cientes de e;pansi'n t8rmica para el molibdeno # ,ra4to% ue permite la reducci'n si,ni4cati:a en los ni:eles de las tensiones t8rmicas Un alto ni:el de resistencia% alta resistencia a la dilataci'n por radiaci'n% # buena conducti:idad t8rmica se encuentran entre las :entajas del uso de aleaciones de molibdeno +a principal des:entaja de las aleaciones de molibdeno es una tendencia a la fra,ilidad a baja temperatura 5or lo tanto% era necesario encontrar una soluci'n para reducir la temperatura de transici'n dGctil a uebradizo (= por sus si,las en in,les) # para proporcionar un cambio mnimo de la = despu8s de la irradiaci'n de neutrones de baja temperatura !n estos procesos JJ? (Jear-Jet-?urface% forma casi terminada) % la lubricaci'n jue,a un papel importante debido a la precisi'n dimensional esperada del proceso % la e;istencia de super4cies netas % # las temperaturas altas de interfaz +a pr"ctica abitual es aplicar re:estimientos para el toco o la preforma antes de forjar en caliente .l,unas :eces se complementan con la lubricaci'n de la matriz durante la operaci'n de forjado Jo s'lo deben proporcionar una lubricaci'n adecuada % deben actuar como un buen a,ente de separaci'n ue permite una f"cil e;tracci'n del material del trouel ambi8n tienen ue prote,er la super4cie de forja con el 4n de mantener el acabado super4cial aceptable # no debe acumularse en los troueles ?u acumulaci'n puede afectar a la forma de la forja% causando "reas de la pieza con llenado insu4ciente% por lo cual la atenci'n a la acumulaci'n durante el proceso de forja es una necesidad 5ara troueles con temperaturas de asta 6$0°C% lubricantes de ,ra4to son aceptables% pero a temperaturas m"s altas de troueles% :idrio con aditi:os apropiados o recubrimientos de nitruro de boro son mas usados bES 5ara calcular los esfuerzos% fuerzas # presiones% se debe calcular en primer lu,ar el :olumen ocupado por la biela ado ue es una pieza con un ,rado de complejidad ele:ado% es preferible descomponerla en 4,uras ,eom8tricas conocidas% para estimar un :olumen apro;imado con base al boceto mostrado en el inciso a
Como se obser:a en la ,ra4ca% se produce una :ariaci'n de la car,a en el trancurso del proceso de forjado% la cual empieza como un cur:a sua:e (al inicio de la compresi'n del material debida a los moldes)% # ue se mani4esta en un aumento mas pronunciado% a partir del punto donde se empieza a producir la rebaba o crez !sto es debido a la ma#or
cantidad de ener,a ue se reuiere para ue el material de forja llene completamente la matriz% # a su :ez% la ener,a reuerida para ue el e;ceso de material ue se presenta en el proceso% se des:ie acia el canal de rebaba% lo cual implica una cantidad de ener,a muco ma#or% representada como el "rea bajo la cur:a mostrada anteriormente
c)
Biblio#ra!ía: SC$%&' (o)n A* rocesos de manu!actura* Tercera %dición* +c,ra-$ill* A.o /000* AV12A' (uan C* 3ptimo dise.o de una biela para un alto rendimiento* undación 5niversidad Amrica* A.o /007* )ttp:88dieo9i*blo#spot*com8/00780/8el-motor-de-un-!*)tml* Curso B"sico de +otores * )ttp:88ceramica*i;ia*com8i;i8Ti6Al4V* Aleación de titanio Ti6Al-4V* •
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1L de .bril de &01/% de ttp2EEQQQedfa,ancomElit5FEYMMol#bdenum$-1-0Fpdf •
alpaPjian% ?% ` ?cmid% ? (&00&) Manufactura ingenier!a y tecnolog!a. 5earson !ducation
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Maier-?peredelozzi% (10 de Jo:iembre de &00) Materials
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M"#$%DE&'M A&D IT( A##"$(. (sf) ecuperado el 1L de .bril de &01/%
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