Ensayo de Erichsen de Embutido
Alumno: Juan Sánchez Contreras Grupo: L-2 Código: 15113 Laboratorio: E132 Asignatura: Procesos Mecánicos II Profesor: José Orellana Martínez Fecha Exp: Jueves 26/04/2018 Fecha Entrega: Jueves 03/05/2018
Índice 1. Resumen .................................................................................................................... 1 2. Objetivos de la experiencia ......................................................................................... 1 3. Características técnicas de los instrumentos .............................................................. 2 4. Metodología experimental........................................................................................... 3 5. Presentación de resultados ........................................................................................ 4 6. Conclusiones .............................................................................................................. 5 7. Apéndice..................................................................................................................... 6 7.1 Teoría del experimento............................................................................................ 6 7.2 Tabla de valores obtenidos ..................................................................................... 8 7.3 Bibliografía .............................................................................................................. 9
1 Resumen El siguiente informe presenta los resultados y conclusiones obtenidas de la experiencia de “Ensayo de Embutido” del laboratorio de Procesos Mecánicos II. En este se realizó una calificación de los materiales seis veces ensayados: acero SAE1020, cobre y aluminio, de acuerdo a su aptitud para el proceso en alta, mediana o baja. Además de una comparación de los datos obtenidos con antecedentes bibliográficos. 2 Objetivos de la experiencia 2.1 Objetivo General
Familiarizar el alumno con ensayos mecánicos destinados a controlar la calidad de la plancha metálica destinada a embutidos.
2.2 Objetivos Específicos
Determinar la aptitud de planchas metálicas para embutidos profundos, mediante el Ensayo Erichsen.
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3 Características técnicas de los instrumentos 3.1 Prensa Balancín Tipo: tornillo Acción: Manual Fuerza: 8 toneladas
Figura 1. Prensa
3.2 Pie de metro Marca: Mitutoyo Tipo: analógico Material: acero inoxidable Graduado en milímetros y pulgadas con una respectiva resolución de 0,02 mm y 1/64 in Rango alcanzable de 250 mm y 10 in
Figura 2. Pie de metro
3.3 Chapas Espesor: 0,5 mm Diámetro: 70 mm Cantidad: 18, 6 para cada material Materiales: Acero 1020, cobre y aluminio Figura 3. Chapas
3.4 Grasa multiproposito Tipo de jabón: Litio ASTM D-128 Penetración trab. a 60 x 25°C : 265-295 ASTM D-217 Estabilidad mecánica %de perdida:15 max D-217 Punto de goteo: 165 min ASTM D-2265 Color: Rojo Figura 4. Grasa
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4 Metodología experimental La experiencia comienza con una introducción dictada por el profesor, donde da a conocer la base teórica que rige la experiencia, los equipos que se utilizan, las consideraciones necesarias a la hora de utilizar estos y el procedimiento que se llevará a cabo para realizar el laboratorio. Se trabajó con 18 probetas circulares (chapas) conseguidas por medio de un proceso previo de troquelado; 6 acero SAE1020, 6 de cobre y 6 de aluminio. Estas serán trabajadas en una prensa balancín realizando un proceso de embutido. Antes de realizar los ensayos se mide el diámetro y el espesor de la probeta a ensayar utilizando el pie de metro. Se comienza instalando sobre la base de la prensa una estructura que soporta el aprieta chapa, y bajo esta se ubica la sufridera y la matriz. El punzón que va en el embolo de la máquina y que atraviesa todo, tendrá en la parte inferior grasa que afirmará una bola de acero de 20 [mm] de diámetro. Una vez preparados los materiales, se procede con el ensayo: se coloca sobre la matriz una chapa, la cual se sujeta con el aprieta chapa: una especie de perno que mantiene apegado la chapa a la matriz. La compresión que ejerza esta no debe ser excesiva, puesto que el material debe fluir sin impedimentos; de lo contrario se producirá un estiramiento del mismo. Pero a su vez no puede ser muy ligera por que se formarían arrugas. Ahora solo basta bajar el punzón haciendo girar de forma continua el rodete de la prensa; la bola pegará en la placa metálica y se realizará el embutido. Se debe estar atento a cuando se forme la primera estricción ya que esto indicará el término del ensayo; esto se podrá apreciar a través de la sufridera, la que tiene un espejo que refleja el proceso. Subido el punzón se retira la placa y se mide la profundidad con el pie de metro. El proceso se repite para las 18 chapas.
Figura 5. Montaje de estructura. Figura 6. Momento antes de la estricción. Figura 7. Chapas una vez terminado el ensayo.
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5 Presentación de resultados En la tabla N°1 a continuación se presentan los resultados promedios de profundidad o índice de Erichsen y la ductilidad correspondiente para cada material ensayado; se muestra el grafico de índice Erichsen profundidad versus espesor (0,5 mm) para los tres materiales. Tabla N°1. Resultados de ensayo de Erichsen Material
Acero SAE1020
Cobre
Aluminio
Profundidad Promedio he [mm]
10,417
7,580
6,200
Ductilidad
Mediana
baja
baja
Gráfico N°1. Gráfico índice Erichsen profundidad versus espesor para los tres materiales.
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6 Conclusiones Durante el ensayo de Erichsen de embutido, se observan resultados cuantitativos y cualitativos del proceso en cada material. Se destaca que en la mayoría de las planchas tuvieron un comportamiento satisfactorio de acuerdo a la fuerza continua y controlada aplicada en el rodete, consiguiendo un correcto embutido con su respectiva estricción. Además se aprecia un correcto ajuste del aprieta chapa ya que en dieciséis de las dieciocho no se formaron arrugas. De acuerdo a los datos obtenidos para los diferentes materiales, es posible efectuar un análisis comparativo respecto de la aptitud para el proceso de embutido, basándose en la ductilidad de los materiales. Según la bibliografía consultada, el acero SAE 1020 presentaría una mayor ductilidad de acuerdo a su gran esfuerzo de fluencia de 36 [ksi], seguido por el cobre recocido quien presenta un gran intervalo entre sus límites de fluencia y ruptura 10 [ksi] y 32 [ksi] respectivamente, finalizando con el aluminio quien presenta una menor ductilidad debido a su bajo esfuerzo límite de ruptura de 16 [ksi]. Bajo el concepto de que el acero es el material más dúctil entre los ensayados, al revisar los datos obtenidos se puede respaldar dicha afirmación, ya que el acero presentó una mayor profundidad en el embutido alcanzando los 10,417 [mm] promedio, de esta forma según la escala de Erichsen presenta una mediana ductilidad. Para el caso de las planchas de cobre se alcanzó una profundidad máxima de 7,8 [mm] con una media de 7,58 [mm], lo que ubica a este material en una aptitud mediana para el proceso de embutido, destacando que en ninguno de los casos se alcanzó la ruptura, lo que se atribuye al gran intervalo de esfuerzo que existe entre los límites de fluencia y ruptura anteriormente mencionado. Finalmente, para el caso del aluminio, se logra evidenciar que la profundidad máxima alcanzada fue de 6,6 [mm] y un promedio de 6,2 [mm], valores menores a la profundidad alcanzada por los demás materiales. Esto se debe a que el bajo esfuerzo de ruptura por tracción que presenta el aluminio, ya que sumado al exceso de velocidad de avance de la máquina por parte del operador. Por los resultados y análisis presentados anteriormente, se califica al aluminio como un material de baja aptitud para el proceso de embutido. Por último, es preciso destacar que ya sea la estricción o la ruptura de la chapa, se originan en un costado, debido a que el aprieta-chapa se encuentra descuadrado respecto a la sufridera, esto provoca que el punzón penetre con la bolita de forma oblicua y no normal a la chapa, ocasionando una concentración de tensiones, en costado y no en el centro.
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7 Apéndice 7.1 Teoría del experimento En el proceso de embutido se somete a la plancha a una deformación plástica en frío, para transformarla en una superficie no desarrollable, utilizando para ello una lámina de metal de mayor diámetro que el área del punzón que es puesta entre un apretachapa y una matriz inferior denominada sufridera, que tiene una perforación del diámetro del punzón. Una presión se impone al punzón el cual deforma la lámina, hasta que la parte externas de la chapa sale de la matriz. El proceso está limitado por la posibilidad de fractura que ocurre durante el estirado ver Fig. 8. La fuerza que ejerce el apreta-chapa sobre la lámina, tiene mucha importancia ya que una fuerza muy baja produce arrugas en los bordes y una fuerza muy alta produce un excesivo alargamiento de las fibras. La falla más frecuente en el proceso de embutido ocurre por inestabilidad plástica en tracción (la inestabilidad plástica ocurre cuando se llega a un máximo de fuerza aplicada y la deformación plástica puede incrementarse sin incrementar la fuerza aplicada), cuando se forma un cuello en la parte baja del punzón, donde éste aplica la máxima fuerza. Si el disco inicial tiene un diámetro excesivo, la fuerza que deberá soportan la pared será excesiva, por eso existe la Razón Máxima de Embutido (RME) definida como:
= = ó El grado de deformación a de ser limitado para no generar daño en la estructura del metal. < . Donde es la deformación al punto de inestabilidad plástica.
Figura 8. Esquema del proceso de embutido. 6
La fuerza de embutido depende del diámetro del punzón ( ), del diámetro de la plantilla ( 0), del espesor de la plancha ( ), de la resistencia de la lámina en tracción ( ), se define como:
= ᴨ(0)
El ensayo de Erichsen es un ensayo biaxial, por su simpleza son muy populares en la industria de conformado de planchas. Este consiste en que un punzón con una esfera en su extremo de 20 mm actúa contra una placa, la que está sujeta por una sufridera y un apretachapa (Fig. 9). Se miden la fuerza y el desplazamiento del punzón. El ensayo se detiene cuando la curva fuerza versus desplazamiento del punzón llega a una fuerza máxima. En este ensayo se mide el Índice de Erichsen que corresponde a la altura del domo o recorrido del punzón en su carrera de descenso ( ) se mide en mm. Según este valor la plancha será o no apta para embutido profundo. Como se indica en la Fig. 3 la relación entre ductilidad y índice de Erichsen. El ensayo debe cumplir la norma ASTM E643-09.
ℎ
Figura 9. Esquema de la matriz de Erichsen
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Figura 10. Gráfica que relaciona la ductilidad y el índice de Erichsen
7.2 Tabla de valores obtenidos Tabla N°2. Valores del índice de Erichsen o profundidad obtenido en cada probeta.
Profundidad [mm]
Número de prueba
Acero SAE 1020
Cobre
aluminio
1
10
7,5
5,1
2
10,5
6,9
6,4
3
11,1
8
6,6
4
11,4
7,8
6,5
5
9,5
7,7
6,6
6 Espesor de chapa [mm]
10
7.7
6,0
0,5
0,5
0,5
8
Gráficos que relacionan el número de la prueba de la chapa y su profundidad para cada material en el ensayo de Erichsen de embutido. Chapas de acero ensayado vs Profundidad 15 d a d i 10 d n u f 5 o r P 0 0
2
4
6
8
Número de prueba
Chapas de cobre ensayado vs Profundidad 8.5 d a 8 d i d7.5 n u 7 f o r 6.5 P
0
2
4
6
8
Número de prueba
Chapas de aluminio ensayado vs Profundidad 10 d a d i d 5 u f o r P 0 0
2
4
6
8
Número de prueba
7.3 Bibliografía
Guía DIMEC Laboratorio Procesos Mecánicos. Experiencia E05 “Ensayo Erichsen”
“Mecánica de Materiales”, Beer, Johnston, Cornwell
Modelado de procesos de manufactura. Conformado mecánico de los metales. Universidad Nacional autónoma de México.
Miguel Ángel Martin Sanz. “Bases teóricas de la embutición de chapa” [en linea ]. Octubre 2017, diciembre 2017 [27 de abril de 2018]. Disponible en la web: http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/60167/fichero/PFC+Miguel+Angel+Martin+S anz%252F2+-+Bases+teoricas+de+la+embuticion+de+chapa.pdf 9
