República Bolivariana de Venezuela Universidad del Zulia Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Mecánica Unidad Curricular: Procesos de Fabricación 2
TEMA 3
Elaborado por:
Asesor: Prof. Fernando Campos.
Maracaibo, junio de 2016.
INDICE Pág.
Conformación de la Chapa Metálica……….….………………………………
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Métodos de Conformación….……………………...………………………….
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Cizallado…………………..…………………………………………................
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Doblado…………………...………………..……………………………………
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Estirado…………………………………………………………………………..
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Embutición Profunda……………………………………………………………
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Reembutición…………………………………………………………………....
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Ensayos de Formabilidad de los Materiales………………………………….
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CONFORMACIÓN DE LA CHAPA METÁLICA Los procesos de formado aplican calor o fuerzas mecánicas o una combinación de ambas para que surtan un efecto en la geometría del material de trabajo. Los Procesos de Conformación por Deformación Plástica se encargan de la obtención de componentes mecánicos que aprovechan el comportamiento plástico de los materiales, es decir, la posibilidad de cambiar la forma o dimensiones del material mediante la aplicación de unos esfuerzos exteriores suficientemente grandes. Para que el material se forme de este modo, debe ser suficientemente dúctil para evitar que se fracture durante la deformación. Debido a que los metales deben ser conformados en la zona de comportamiento plástico, es necesario superar el límite de fluencia para que la deformación sea permanente. Por lo cual, el material es sometido a esfuerzos superiores a sus límites elásticos, estos límites se elevan consumiendo así la ductilidad.
Fig. 1. Gráfica esfuerzo-deformación. Para incrementar su ductilidad, es común que antes de darle forma el material de trabajo se caliente hasta una temperatura por debajo de punto de fusión. El trabajo metálico de láminas incluye operación de corte y formado realizadas sobre láminas delgadas de metal. Los espesores del material típicos están entre 0,4mm y 6mm. 3
La mayoría de los procesos con láminas metálicas se realiza a temperatura ambiente (trabajo en frío), excepto cuando el material es grueso, frágil o la deformación es significativa. Éstos son los casos usuales de trabajo en caliente debajo de la temperatura de cristalización más que trabajo en caliente por encima de dicha temperatura. El acero al bajo carbono es la hoja metálica de mayor uso por su bajo costo y sus buenas características de resistencia y formabilidad. El aluminio es el material que más se utiliza al transformar las hojas metálicas en latas para bebidas, empaques, utensilios de cocina y aplicaciones para resistencia a la corrosión. Los materiales metálicos que más se aplican en aeronaves y naves espaciales son el aluminio y el titanio. La importancia comercial del trabajo con láminas es significativa. Esto puede observarse en el gran número de productos industriales y de consumo que incluyen piezas de láminas metálicas: carrocerías de automóviles, aeroplanos, equipos de construcción, diversos utensilios, entre otros. Muchos de estos productos hacen uso de láminas tanto en su interior, como en su exterior. Su gran utilidad viene dada por su alta resistencia, buena precisión dimensional, buen acabado superficial y bajo costo relativo. Las tres grandes categorías de los procesos de láminas metálicas son: corte, que es utilizado para separar láminas grandes en piezas menores, para cortar un perímetro o hacer agujeros en una pieza; doblado y embutido, que permiten transformar láminas de metal en piezas de forma especial. La mayoría de las operaciones con láminas metálicas se ejecutan en máquinas herramientas llamadas prensas. Por otro lado, las herramientas que se usan para realizar el trabajo en láminas se llaman punzón y troquel. Los productos hechos de láminas de metal se introducen en las prensas frecuentemente en forma de tiras o rollos.
MÉTODOS DE CONFORMACIÓN 1. Operaciones de corte
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El corte de lámina se realiza por una acción de cizalla entre dos bordes afilados de corte. Cuando el punzón empieza a empujar el trabajo, ocurre una deformación plástica en las superficies de la lámina; conforme este se mueve hacia abajo, ocurre la penetración, en la cual comprime la lámina y corta el metal. Esta zona de penetración es generalmente una tercera parte del espesor de la lámina. A medida que el punzón continúa su viaje dentro del trabajo se inicia la fractura en éste entre los dos bordes de corte. Si el espacio entre el punzón y el troquel es correcto, las dos líneas de fractura se encuentran y el resultado es una separación limpia de trabajo en dos piezas. En la parte superior de la superficie de corte hay una región que se llama redondeado. Éste corresponde a la depresión hecha por el punzón en el trabajo antes de empezar el corte. Justo abajo del redondeado hay una región relativamente lisa llamada bruñido. Ésta resulta de la penetración del punzón en el material antes de empezar la fractura. Debajo del bruñido está la zona de fractura, una superficie relativamente tosca del borde de corte donde el movimiento continuo del punzón hacia abajo causa la fractura del metal. Por último, al fondo del borde está la rebaba, un filo causado por la elongación del metal durante la separación final de las dos piezas. Entre las operaciones de corte se encuentran cizallado, punzonado y perforado.
Fig. 2. Operaciones de Corte.
2. Operaciones de doblado. El doblado se define como la deformación del metal alrededor de un eje 5
recto. Durante la operación de doblado, el metal dentro del plano neutral se comprime, mientras que el metal por fuera del plano natural se estira. El doblez toma una forma permanente al remover los esfuerzos que lo causaron. El doblado produce poco o ningún cambio en el espesor de la lámina metálica. Los métodos de doblado más comunes y sus herramientas asociadas son el doblado en V, ejecutado con un troquel en V; y el doblado de bordes, ejecutado con un troquel deslizante. El doblado también proporciona rigidez a la pieza al aumentar su momento de inercia.
3. Embutido. Se usa para hacer piezas de forma acopada, de caja y otras formas huecas más complejas. Se realiza colocando una lámina de metal sobre la cavidad de un troquel y empujando el metal hacia la cavidad de este con un punzón. La forma debe aplanarse contra el troquel por un sujetador de formas. Las piezas comunes que se hace por embutido son latas de bebidas, casquillos de municiones, lavabos, utensilios de cocina y piezas para carrocería de automóviles.
Fig. 3. Operaciones de Embutido.
4. Otras operaciones de formado de láminas metálicas. En las prensas convencionales se realizan, además de doblado y el embutido, otras operaciones de formado. Estas operaciones son: Operaciones realizadas con herramientas metálicas que incluyen
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planchado, acuñado y estampado, desplegado y torcido.
Operaciones de formado con caucho que utilizan herramientas inusuales
que cuentan con un elemento flexible para realizar la operación de formado. Estas operaciones son el proceso Guerín y el hidroformado.
CIZALLADO Hay tres operaciones principales en el trabajo de prensa que cortan el metal por el mecanismo de cizalla que se acaba de describir: el cizallado, el punzonado y el perforado. El cizallado es la operación de corte de una lámina de metal a lo largo de una línea recta entre dos bordes de corte. El cizallado se usa típicamente para reducir grandes láminas a secciones más pequeñas para operaciones posteriores de prensado. Se ejecuta en una máquina llamada cizalla de potencia o cizalla recta. La cuchilla superior de la cizalla de potencia está frecuentemente sesgada, para reducir la fuerza requerida de corte. Los principales parámetros del proceso de cizallado son:
La forma del punzón y de la matriz.
La velocidad del punzado.
La lubricación.
La holgura entre el punzón y la matriz.
La holgura es un factor importante para determinar la forma y calidad de la orilla Cizallada. Al aumentar la holgura, la zona de deformación se vuelve más grande y la orilla cizallada más rugosa. La hoja tiende a ser jalada hacia la región de la holgura, y el perímetro, u orillas de la zona cizallada, se torna más rugoso. A menos que dichas orillas sean aceptables tal como se producen, pueden requerirse operaciones secundarias a fin de hacerlas más lisas (lo que incrementa el costo de producción). Por lo general, el cizallado se inicia con la formación de grietas en las orillas superior e inferior de la pieza de trabajo. Al final, estas grietas se encuentran una con otra y ocurre la separación completa.
1. Operaciones de Cizallado a) Corte por matriz. Ésta es una operación de cizallado que consiste en los siguientes procesos básicos: 7
•
Perforado: es el punzonado de varios orificios en una hoja.
•
Seccionado: con él se cizalla la hoja en dos o más piezas.
•
Muescado: consiste en el retiro de piezas (o diferentes formas) de los
orillas. •
Pestañado o lanceteado: con él se deja una ceja sin retirar material.
Las partes producidas por estos procesos tienen diferentes usos, en particular al ensamblarse con otros componentes. b) Troquelado fino. Mediante el troquelado fino se pueden producir orillas muy lisas y a escuadra. Comprende holguras del orden de 1% del espesor de la hoja y puede variar de 0.5 mm a 13 mm (0.02 a 0.5 pulgada) en la mayoría de los casos. Las tolerancias dimensionales son de +/-0.05 mm (0.002 pulgada) y menos de +/0.025 mm (0.001 pulgada) en el caso de perpendicularidad de la orilla. c) Ranurado. Las operaciones de cizallado se pueden efectuar mediante un par de cuchillas circulares. En el ranurado, las cuchillas siguen tanto una línea recta como una trayectoria circular o curva. Normalmente una orilla ranurada tiene una rebaba, que se puede doblar sobre la superficie de la hoja laminándola (aplanándola) entre dos rodillos. Si no se ejecutan en forma apropiada, pueden provocar diferentes distorsiones de las orillas cizalladas. d) Niblado o perforado. Una máquina llamada nibladora mueve con rapidez un punzón recto pequeño arriba y abajo dentro de una matriz. A través de la separación, se alimenta una hoja y se le practican muchos orificios traslapados. Mediante controles manuales o automáticos es posible cortar hojas a lo largo de cualquier trayectoria deseada. El proceso es económico para pequeños lotes de producción porque no se requieren matrices especiales. e) Desechos del cizallamiento. La cantidad de desecho puede ser significativa y llegar hasta 30% en estampados grandes. El desecho puede constituir un
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porcentaje importante del costo de la manufactura y se reduciría de modo sustancial mediante el arreglo eficiente de las formas en la hoja a cortar. El punzonado implica el corte de una lámina de metal a lo largo de una línea cerrada en un solo paso para separar la pieza del material circundante. La pieza que se corta es el producto deseado en la operación y se designa como la parte o pieza deseada. El perforado es muy similar al punzonado, excepto porque la pieza que se corta se desecha y se llama pedacería. El material remanente es la pieza deseada.
DOBLADO El doblado con rodillos es una operación en la cual generalmente se forman piezas grandes de lámina metálica en secciones curvas por medio de rodillos. Cuando la lámina pasa entre los rodillos, éstos se colocan uno junto al otro en una configuración que forma el radio de curvatura deseado en el trabajo. Por este método se fabrican componentes para grandes tanques de almacenamiento y recipientes a presión. Mediante esta operación también se pueden doblar perfiles estructurales, rieles de ferrocarril y tubos. Las operaciones de doblado se realizan usando como herramienta de trabajo diversos tipos de punzones y troqueles. Los dos métodos de doblado más comunes y sus herramientas asociadas son el doblado en V, ejecutado con un troquel en V; y el doblado de bordes, ejecutado con un troquel deslizante. En el doblado en V, la lámina de metal se dobla entre un punzón y un troquel en forma de V. Los ángulos incluidos, que fluctúan desde los muy obtusos hasta los muy agudos se pueden hacer con troqueles en forma de V. El doblado en V se usa por lo general para operaciones de baja producción. El doblado de bordes involucra una carga voladiza sobre la lámina de metal. Se usa una placa de presión que aplica una fuerza de sujeción
Fh para sostener la
base de la pieza contra el troquel, mientras el punzón fuerza la pieza volada para doblarla sobre el borde de un troquel. El doblado se limita a ángulos de 90º o menores. Se puede diseñar troqueles deslizantes más complicados para ángulos mayores de 90º. Debido a la placa de presión, los troqueles deslizantes son más 9
complicados y más costosos que los troqueles en V y se usan generalmente para trabajos de alta producción.
Fig.4 a) Doblado en V b) Doblado de borde. 1) antes del doblado 2) después doblado. a) Tolerancia de doblado. Si el radio del doblado es pequeño respecto al espesor del material, el metal tiende a estirarse durante el doblado. Es importante poder estimar la magnitud del estirado que ocurre, de manera que la longitud de la pieza final pueda coincidir con la dimensión especificada. Para tomar en cuenta el estirado de la sección doblada final llamada tolerancia de doblado se usa:
α ( R + Kt) A = 2π 360
A = tolerancia del doblado en mm (in); α = angulo de doblado en grados; R= radio de doblado en mm (in); t = espesor del material; K = factor para Donde
estimar el estirado. b) Recuperación elástica. Cuando la presión de doblado se retira la energía elástica permanece en la pieza doblada haciendo que ésta recobre parcialmente su forma original. Esta recuperación se conoce como recuperación elástica y se define como el incremento del ángulo comprendido por la pieza doblada en relación con el ángulo comprendido por la herramienta formadora después de que ésta se retira. Se expresa como:
′ + α ′ α SB= α′ Donde SB = recuperación elástica; α′ = ángulo comprendido por la lámina de metal, en grados; y α ′ = ángulo comprendido por la herramienta de doblado en
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grados. La magnitud de la recuperación elástica se incrementa con el módulo de elasticidad E y la resistencia de la fluencia Y del metal de trabajo. Se puede lograr una compensación para la recuperación elástica por varios métodos. Dos métodos comunes son el sobredoblado y el fondeado. En el sobredoblado, el ángulo del punzón y su radio se fabrican ligeramente menores que el ángulo especificado en la pieza final, de manera que la lámina regrese al valor deseado. El fondeado involucra comprimir la pieza al final de la carrera, deformándola plásticamente en la región de doblado. c) Fuerza de doblado. La fuerza que se requiere para realizar el doblado depende de la forma del punzón y del troquel, así como de la resistencia, espesor y ancho de la lámina de metal que se dobla. La fuerza máxima de doblado se puede estimar por medio de la siguiente ecuación:
K T Swt f F= D
Donde F= fuerza del doblado en N (lb); TS= resistencia a la tensión del metal en lamina, Mpa (lb/in 2); w= ancho de la pieza en la dirección del eje del doblez, mm (in) t= espesor del material; D= dimensión del troquel abierto en mm (in).
ESTIRADO El estirado es un proceso en el cual la pieza de trabajo se sujeta por una o más mordazas en cada extremo y luego se restira y dobla sobre un troquel positivo que contiene la forma deseada. El metal se somete a esfuerzos de tensión a un nivel por encima de su punto de fluencia. La combinación de estirado y doblado da por resultado una recuperación elástica relativamente pequeña de la pieza. Este método de formado se usa extensivamente en las industrias aérea y aeroespacial para producir económicamente grandes piezas de lámina metálica en las cantidades moderadas típicas de dichas industrias.
EMBUTICIÓN PROFUNDA
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Se usa para hacer piezas de forma acopada, de caja y otras formas huecas más complejas. Se realiza colocando una lámina de metal sobre la cavidad de un troquel y empujando el metal hacia la cavidad de éste con un punzón. La forma debe aplanarse contra el troquel por un sujetador de formas. En el proceso básico de embutido profundo, se coloca una pieza en bruto de hoja metálica redonda sobre la abertura de una matriz circular y se mantiene en su lugar con una placa de sujeción o anillo de sujeción. El punzón baja y empuja la lámina dentro de la cavidad de la matriz, formando una copa o depresión. Las variables importantes en el embutido profundo son las propiedades de la hoja
); el diámetro del punzón ( ); la holgura (C=1.1t) entre el punzón y la matriz; el radio del punzón ( ); la relación de la esquina de la matriz o radio de transición ( ); la fuerza de la placa metálica, la relación del diámetro de la pieza en bruto (
de sujeción; y la fricción y la lubricación entre todas las superficies de contacto.
Fig. 5. Embutición Profunda. Durante la operación de embutido profundo, el movimiento de la pieza en bruto dentro de la cavidad de la matriz induce esfuerzos circunferenciales de compresión en el reborde o ceja, que tienden a hacer que éste se pliegue durante el embutido. Este fenómeno se puede visualizar simplemente intentando forzar una pieza circular de papel dentro de una cavidad redonda, como un vaso para beber. Las arrugas pueden reducirse o eliminarse si la placa de sujeción se 12
mantiene bajo el efecto de cierta fuerza. Para mejorar el desempeño, se puede controlar la magnitud de dicha fuerza en función del recorrido del punzón. Debido a las múltiples variables involucradas, es difícil calcular directamente la fuerza de punzonado (F). Sin embargo, como se ha demostrado, la fuerza máxima de punzonado (Fmáx) se puede estimar mediante la fórmula:
Do − 0.7] Fmáx = πDpT(UTS)[Dp En donde la nomenclatura es la misma que en la figura (b). Es evidente que la fuerza aumenta al incrementarse el diámetro, el espesor, la resistencia y la relación (Do/Dp) de la pieza en bruto. La pared de la copa se somete principalmente a un esfuerzo longitudinal (vertical) de tensión por la fuerza del punzonado. La elongación debida a este esfuerzo hace que la pared de la copa se vuelva más delgada, y si es excesiva, puede ocasionar que la copa se desgarre. En una operación de embutido profundo, la falla suele ocurrir debido al adelgazamiento de la pared de la copa bajo los altos esfuerzos longitudinales de tensión. Si seguimos el movimiento del material conforme éste fluye dentro de la cavidad de la matriz, se puede ver que la hoja metálica, debe ser capaz de soportar una reducción de la anchura por la reducción del diámetro, y también debe resistir el adelgazamiento por los esfuerzos longitudinales de tensión en la pared de la copa. En general, la capacidad de embutido profundo se expresa mediante la relación límite de embutido (LDR, por sus siglas en inglés), como:
maximo de la pieza bruta = Do LDR= Diametrodiametrodel punzon Dp Otra forma de caracterizar una operación dada de embutido es por la reducción r, donde:
r = Do−Dp Do
Está vinculada muy estrechamente con la relación de embutido. Consistente con el límite previo de LDR (LDR ≤ 2.0), el valor de la reducción r debe ser menor que 0.50. Una tercera medida en el embutido profundo es la relación de espesor al diámetro t/Do (espesor de la forma inicial t dividido entre el
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diámetro de la forma Do), cuyo valor en porcentaje es recomendable que sea mayor que 1%. Conforme decrece t/Do, aumenta la tendencia al arrugamiento. En los casos en que el diseño de la pieza embutida exceda los límites de la relación de embutido, la reducción y la relación t/Do, la forma debe ser embutida en dos o más pasos, algunas veces con recocido entre ellos.
Fig. 6. Etapas en la deformación del material de trabajo en el embutido profundo: 1) el punzón entra en contacto con el trabajo, 2) doblado, 3) enderezado, 4) fricción y compresión, y 5) forma final de copa.
1. Embutido sin sujetador. Una de las funciones principales del sujetador consiste en prevenir el arrugado de la brida mientras se embute la pieza. La tendencia al arrugamiento se reduce al aumentar la relación entre el espesor y el diámetro de la forma inicial. Si la relación
/D es lo suficientemente grande, se puede alcanzar el embutido sin
necesidad de un sujetador, como se muestra en la siguiente imagen. Puede estimarse la condición limitante para el embutido sin sujetador mediante la siguiente expresión:
D − D < 5 14
El troquel de embutido debe tener forma de embudo o cono para permitir que el material a embutir se ajuste a la cavidad del troquel. La ventaja del embutido sin un sujetador, cuando éste es posible, es un costo más bajo de las herramientas y el uso de una prensa más simple, porque se evita.
Fig. 7. Embutido sin sujetador.
2. Prácticas de embutido profundo. Se han establecido algunas guías para lograr una práctica exitosa del embutido profundo. Por lo general, la presión de la placa de sujeción se elige entre 0.7% y 1% de la suma de la resistencia a la fluencia y la resistencia máxima a la tensión de la hoja metálica. Una fuerza demasiado elevada de la placa de sujeción aumenta la fuerza de punzonado y hace que se desgarre la pared de la copa. En cambio, si la fuerza de la placa de sujeción es muy baja, puede arrugarse. Las holguras son usualmente de 7% a 14% mayores que el espesor de la hoja; si son demasiado pequeñas, el punzón puede perforar o cizallar la pieza en bruto. Los radios de las esquinas del punzón y de la matriz también son parámetros importantes. Si son muy pequeños, pueden provocar la fractura de las esquinas; si son muy grandes, la copa se puede arrugar, fenómeno al que se llama fruncido. Con frecuencia se necesitan perlas de embutido para controlar el flujo de la pieza en bruto dentro de la cavidad de la matriz, restringen el libre flujo de la hoja metálica, doblándola y desdoblándola durante el ciclo de embutido; de ahí que aumenten la fuerza requerida para jalar la hoja dentro de la cavidad del molde. Las perlas de embutido también ayudan a reducir las fuerzas requeridas en la placa de sujeción, pues la hoja con perlas tiene mayor rigidez (debido a su mayor momento 15
de inercia) y, de ahí, una menor tendencia al arrugado. Los diámetros de las perlas de embutido pueden variar de 13 mm a 20 mm (0.50 a 0.75 pulgada), siendo aplicable este último a los estampados grandes, como las piezas automotrices.
Fig. 8. Perlas de embutido. (a) Esquema de una perla de embutido. (b) Flujo del metal durante el embutido de una parte con forma de caja cuando se utilizan perlas para controlar el movimiento del material. (c) Deformación de las rejillas circulares en el reborde en el embutido profundo. Las perlas de embutido también son útiles para embutir partes con forma de caja y asimétricas, ya que pueden presentar dificultades significativas en la práctica. Para evitar el desgarre de la hoja metálica durante el formado, con frecuencia es necesario incorporar los siguientes factores:
El diseño y la ubicación apropiada de las perlas de embutido.
Radios grandes de la matriz.
Lubricación efectiva.
Tamaño y forma apropiados de la pieza en bruto.
El corte de todas las esquinas de las piezas en bruto cuadradas o
rectangulares a 45° para reducir los esfuerzos de tensión desarrollados durante el embutido.
El uso de piezas en bruto sin defectos internos o externos.
3. Herramienta y equipo para embutido. 16
Los materiales más comunes para las herramientas y matrices empleados para el embutido profundo son los aceros herramienta y los hierros fundidos e incluyen matrices producidas de hierro dúctil hechos por el proceso de espuma perdida. Otros materiales tales como los carburos y los plásticos también pueden ser usados por dicho proceso. Debido a la forma generalmente asimétrica de los componentes del punzón y de la matriz (como los utilizados para fabricar latas y contenedores cilíndricos), pueden manufacturarse en equipos como los de maquinado de alta velocidad en tornos controlados por computadora. Por lo común, el equipo para el embutido profundo es una prensa hidráulica de doble acción o una prensa mecánica; se favorece generalmente a esta última por su mayor velocidad de operación. En la primera, el punzón y la placa de sujeción se controlan de manera independiente. Las velocidades del punzón suelen variar entre 0.1 y 0.3 m/s (20 y 60 pies/min).
REEMBUTICIÓN Los contenedores o recipientes cuyo embutido es difícil de realizar en una sola operación, generalmente pasan por un reembutido. Debido a la constancia volumétrica del metal, la copa o depresión se vuelve más larga conforme se reembute a diámetros menores. Si el cambio de forma que requiere el diseño de la pieza es demasiado severo (la relación de embutido es demasiado alta), el formado completo de la pieza puede requerir más de un paso de embutido. Al segundo paso de embutido y a cualquier otro posterior, si se necesita, se le llama reembutido. Cuando el diseño de la pieza requiere una relación de embutido demasiado grande que impida formar la pieza en un solo paso, se puede ejecutar la siguiente sugerencia general para la reducción, que se puede hacer en cada operación de embutido: para el primer embutido, la reducción máxima de la forma inicial debe ser de 40 a 45%; para el segundo embutido (primer reembutido), la reducción máxima debe ser 30%; para el tercer embutido (segundo reembutido), la reducción máxima debe ser 16%.
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Fig. 9. Reembutido. El reembutido inverso se coloca una pieza embutida hacia abajo en el troquel y ocurre una segunda operación de embutido. Aunque puede parecer que el reembutido inverso podría producir una deformación más severa que el reembutido, en realidad es más fácil en el metal. La razón es que en el reembutido inverso la lámina de metal se dobla en la misma dirección en las esquinas exteriores e interiores del troquel, mientras que en el reembutido el metal se dobla en direcciones opuestas en las dos esquinas. Debido a esta diferencia, el metal experimenta menos endurecimiento por deformación en el reembutido inverso y, por tanto, la fuerza del embutido es menor.
Fig. 10. Reembutido inverso.
1. Defectos del embutido. El embutido de lámina metálica es una operación más compleja que el corte o el doblado; por tanto, hay más cosas que pueden fallar. Pueden presentarse numerosos defectos en un producto embutido; anteriormente se citaron algunos de ellos. La siguiente es una lista de los defectos que se muestran en la siguiente figura:
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Fig. 11. Defectos del embutido. a) Arrugamiento en la brida o pestaña . El arrugamiento en una pieza embutida consiste en una serie de pliegues que se forman radialmente en la brida no embutida de la pieza de trabajo, debido al pandeo por compresión. b) Arrugamiento en la pared . Si la brida arrugada se embute en el cilindro, estos pliegues aparecen en la pared vertical del cilindro. c) Desgarramiento. Este defecto consiste en una grieta que se abre en la pared vertical, usualmente cerca de la base de la copa embutida, debido a altos esfuerzos a la tensión que causan adelgazamiento y rotura del metal en esta región. Este tipo de falla puede también ocurrir cuando el metal se estira sobre una esquina afilada del troquel. d) Orejeado. Ésta es la formación de irregularidades (llamadas orejas) en el borde superior de la pieza embutida, causada por anisotropía en la lámina de metal. Si el material es perfectamente isotrópico no se forman las orejas. e) Rayados superficiales. Pueden ocurrir ralladuras en la superficie de la pieza embutida si el punzón y el troquel no son lisos o si la lubricación es insuficiente.
Fig. 12. Defectos del embutido.
ENSAYOS DE FORMABILIDAD DE LOS MATERIALES
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La formabilidad de las hojas metálicas es de gran interés tecnológico y económico. Por lo general se define como la capacidad de la hoja metálica para sufrir el cambio de forma deseado sin fallar, ya sea mediante la formación de un cuello, agrietamiento o desgarramiento. Las hojas metálicas (dependiendo en parte de su geometría) pueden sufrir dos modos básicos de deformación: estirado y embutido. Existen dos distinciones importantes entre ambos modos, y se utilizan distintos parámetros para determinar la formabilidad en estas diferentes condiciones. A continuación se describirán los métodos que suelen utilizarse para predecir la formabilidad:
1. Pruebas de copa (acopamiento o ahuecamiento). Las primeras pruebas desarrolladas para predecir la formabilidad fueron las pruebas de copa. En la prueba Erichsen, la hoja del espécimen se sujeta entre dos matrices planas, circulares, y se fuerza una bola de acero o un punzón redondo sobre la hoja hasta que comienza a aparecer una grieta en el espécimen estirado. La profundidad de punzonado a la que ocurre la falla es una medida de la formabilidad de la hoja. Aunque es fácil realizar esta prueba y otras similares, no se simulan las condiciones exactas de las operaciones de formado real, de ahí que no sean particularmente confiables, sobre todo para partes complejas.
Fig. 13. Prueba de formado de depresión. Prueba de formado de depresión (copa) (prueba Erichsen) para determinar la formabilidad de las hojas metálicas.
2. Diagramas de límites de formado.
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Un avance importante en la prueba de formabilidad de las hojas metálicas es el desarrollo de los diagramas de límites de formado. Un diagrama de límites de formado (FLD, por sus siglas en inglés) se construye marcando primero la hoja plana con un patrón de rejilla de círculos, mediante técnicas electroquímicas o de fotograbado. Después se estira la lámina en bruto sobre un punzón y se observa y mide la deformación de los círculos en las regiones donde ocurrió la falla (formación de cuellos y rasgado). Aunque suelen tener un diámetro de 2.5 mm a 5 mm (0.1 a 0.2 pulgada), los círculos deben hacerse tan pequeños como sea práctico para mejorar la precisión de la medición. Con el propósito de desarrollar un estiramiento desigual para simular las operaciones reales de formado de las hojas, los especímenes planos se cortan con anchos variables y después se someten a prueba. Luego de realizar una serie de ensayos en una lámina metálica en particular y a diferentes anchos, se construye un diagrama de límites de formado en el que se muestran las fronteras entre las regiones de falla y las seguras. Para desarrollar un diagrama de límites de formado se obtienen las deformaciones ingenieriles mayor y menor, midiendo la deformación de los círculos originales. En la figura que se mostrará posteriormente se observa que el círculo se ha deformado hasta convertirse en elipse, cuyo eje mayor representa la dirección y magnitud mayores del estiramiento. La deformación mayor es la deformación ingenieril en esta dirección y siempre es positiva, ya que la hoja se está estirando. El eje menor de la elipse representa la magnitud del estiramiento o contracción en la dirección transversal. Al comparar las áreas de las superficies del círculo original y del círculo deformado sobre la hoja formada, también puede determinarse si el espesor de la hoja ha cambiado durante la deformación. Los datos así obtenidos en los diferentes puntos de cada una de las muestras luego se grafican, las curvas representan los límites entre las zonas de falla y las zonas seguras para cada tipo de metal, y como se puede observar, cuanto más elevada sea la curva, mejor será la formabilidad de un metal en particular. Como se esperaba, los diferentes materiales y condiciones (como los trabajados en frío o tratados térmicamente)
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tienen distintos diagramas de límites de formado. El efecto del espesor de las hojas sobre los diagramas de límites de formado se refleja en la elevación de las curvas. Cuanta más gruesa sea la hoja, más elevada será la curva de formalidad y, por ende, más formable. En las operaciones reales de formado, una pieza en bruto gruesa tal vez no se doble tan fácilmente alrededor de radios pequeños sin agrietarse. La fricción y la lubricación en la interfaz entre el punzón y la hoja metálica también afectan los resultados de los ensayos. Con unas interfaces bien lubricadas, las deformaciones en la hoja se distribuyen de manera más uniforme sobre el punzón. De igual forma, como era de esperarse, y dependiendo del material y de su sensibilidad a muescas, ralladuras superficiales, depresiones profundas e imperfecciones, se puede reducir de modo significativo la formabilidad y de ahí llevar a un desgarramiento prematuro y a la falla de la parte.
Fig. 14. Deformaciones en patrones deformados de rejillas circulares.
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Fig. 15. Diagramas de límites de formado (FLD) para diferentes hojas metálicas. Aunque la deformación mayor siempre es positiva (estiramiento), la deformación menor puede ser positiva o negativa. R es la anisotropía normal de la hoja.
Fig. 16. Deformación de un patrón de rejilla y rasgado de una hoja metálica durante el formado. Los ejes mayor y menor de los círculos se utilizan para determinar las coordenadas en el diagrama de límites de formado.
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