Proceso de Doblado y Embutido

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA

PROCESO DE DOBLADO Y EMBUTIDO 1.- INTRODUCCIÓN En el proceso de formación de un Ingeniero Mecánico, es muy importante el conocimiento de la Ciencia de los Materiales, ya que esta proporciona las herramientas necesarias para comprender el comportamiento general de cualquier material, lo cual es necesario a la hora de desarrollar adecuadamente diseños de componentes, sistemas y procesos que sean confiables y económicos. Una de las operaciones más comunes en el conformado de metal por deformación, es el doblado, proceso que, desde una concepción básica, consiste en la fabricación de piezas con rebordes, bucles y ondulaciones, mediante una prensa. A pesar que el doblado parece ser una operación sencilla, hoy en día la industria trae consigo retos relacionados no sólo con el trabajo de nuevos materiales, sino con la aparición de modernas herramientas (punzones y matrices) que integran diseños variados e inteligentes para la creación de piezas especiales y formas complejas. En ese sentido, investigaciones sobre el tema de doblado, han demostrado que uno de los problemas por los que atraviesa la industria transformadora de metal, a nivel mundial, está relacionado con las exigencias de los clientes para obtener productos de mayores complejidades y con tolerancias geométricas cada vez más estrechas. La falta de cuidado en los parámetros de doblado ocasiona defectos o fallas en las piezas elaboradas, tales como: deformaciones no deseadas, falta de precisión de los ángulos de doblado y de geometría, adelgazamiento de las paredes, aplanamiento de las superficies curvadas y la aparición de grietas y arrugas, entre otros. Estos defectos o anomalías se pueden evitar si se estiman los parámetros o condiciones básicas del proceso de doblado, entre otras, la selección adecuada del conjunto matriz-punzón, el radio, la recuperación, la fuerza y capacidad de doblado, longitud de la chapa, y demás aspectos geométricos, de vital importancia para lograr un nivel de calidad elevado.

2.- ANTECEDENTES HISTORICOS En la historia de la metalurgia el trabajo de la chapa ocupa sin duda un lugar de relieve. Desde la prehistoria, el hombre se ha esforzado en desarrollar herramientas, utensilios y máquinas cada vez más sofisticados para dar forma a los metales. A medida que el avance de la civilización imponía necesidades nuevas en el ámbito de la calderería, la tecnología iba ofreciendo nuevas posibilidades. Cuando, en el siglo XIX, el desarrollo de los nuevos sistemas de transporte terrestre y marítimo planteó exigencias imprevistas en el conformado de chapa, la tecnología dio un vuelco radical permitiendo mecanizar eficazmente procesos hasta entonces enteramente manuales. El trabajo en frío y en caliente de la chapa ha sido realizado durante siglos por los herreros y hojalateros de forma enteramente manual. Herramientas como la tajadera, el tranchete de yunque, los cortafríos o los punzones fueron la única ayuda de los artesanos del metal para el

PROCESOS DE MANUFACTURA II: Proceso de Doblado Y Embutido

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corte y deformación de chapa, aunque con el tiempo fueron incorporándose utillajes más evolucionados, como la cizalla de palanca o la prensa de balancín a finales de la edad media. El gran avance de la calderería no se produce hasta las últimas décadas del siglo XVIII cuando la irrupción de la máquina de vapor revoluciona la industria en general y muy especialmente la construcción naval y el transporte terrestre. Los barcos de vapor con casco metálico o el desarrollo del ferrocarril, entre otros grandes avances, imponen la necesidad de construir grandes estructuras metálicas para edificios, puentes o calderas. Todo ello impulsa una verdadera revolución tecnológica en todos los procesos relacionados con el trabajo de la chapa: corte, punzonado, curvado, rebordeado, plegado, remachado, etc.

3.- FUNDAMENTOS DEL PROCESO DE DOBLADO La importancia de la dirección del grano: grano : Al trabajar con placa, ponga mucha atención a si está formando con la dirección del grano (longitudinal) o perpendicular a ésta (transversal) vea la Figura. La dirección del grano de una placa viene del proceso de rolado de la fresa, el cual estira la estructura metalúrgica e inclusiones del material. Los granos van paralelos a la dirección de rolado.

Formar con el grano requiere menos fuerza de doblado debido a que la ductilidad del material ya está estirada. Sin embargo, este estiramiento hace que los granos se extiendan, lo que se manifiesta como fractura en el radio de doblez exterior. Para evitar o al menos reducir esta fractura al doblar de manera longitudinal a la dirección del grano, puede ser necesario usar radios de doblez mayores. Al doblar de manera transversal a la dirección del grano, la ductilidad reducida aumentará el tonelaje requerido para el formado, pero podrá aceptar un radio de doblez interior mucho más estrecho sin destruir la superficie exterior del doblez. Esfuerzo localizado: El esfuerzo localizado puede influir en los resultados del formado, y esto limita lo estrecho del radio de doblez interior. Procesos térmicos como corte con flama y láser endurecen los bordes y producen concentraciones de esfuerzo. Puede ser necesario remover el acanalado de la superficie y esquinas filosas a lo largo de los bordes cortados. Reafilar los bordes cortados y superficies puede ayudar a reducir o eliminar microfracturas en áreas críticas. Al formar placa pesada a radios de doblez estrechos, puede ser necesario precalentar el material entre 200 y 300°F (93 y 149°C) antes de doblar, particularmente si se están tratando de doblar espesores de 0.75 pulgadas (19mm) o más. Para obtener los mejores resultados, asegúrese de calentar el material uniformemente. Recuperación elástica: Todos los aceros, aluminios y hasta los plásticos presentan recuperación elástica al liberarse de las fuerzas de doblado. La recuperación elástica es la liberación de deformación elástica y está relacionada directamente con el límite de elasticidad del material.


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Ésa es la razón de que se necesite un ángulo de doblez mayor para lograr el ángulo requerido, especialmente para aceros con límite de elasticidad alto y para la mayoría de los aluminios. Una cierta pieza de trabajo en hoja metálica puede tener, por decir, 2 grados de recuperación elástica, así que se necesitará un punzón con un ángulo incluido mínimo que sea al menos 2 grados menos que el ángulo incluido del dado para dar la separación angular requerida. Sin embargo, conforme el radio aumenta, aumenta la recuperación, y la cantidad de recuperación elástica puede ser significativa cuando el radio es grande con relación al espesor de la hoja o placa. El ángulo y ancho correctos del dado pueden ayudar a compensar esta recuperación elástica excesiva. Esto incluye dados en relieve (vea la Figura 2), con ángulos incluidos de 78 o 73 grados. Los dados de canal tienen ángulos de dado incluidos que son perpendiculares, rectos hacia arriba y hacia abajo. Ambos permiten la penetración necesaria de la herramienta sin interferencia entre las caras del dado, el punzón y el material. Radio de doblez interior mínimo: Para acero, aluminio y acero inoxidable, encontrará diversas relaciones de radios de doblez mínimo con respecto a espesores, y tendrá que buscar estos valores en los datos proporcionados por su proveedor de material. Sin embargo, al buscar estos valores tenga en cuenta que doblar de manera transversal (perpendicular al grano) o longitudinal (con el grano) tendrá un efecto en el radio de doblez mínimo requerido. El doblez longitudinal requiere un radio mayor que los establecidos para doblado transversal. Conforme aumenta el espesor, aumenta el radio. Para 6061 de 0.25 pulgadas de espesor en una condición “O”, el proveedor de material puede especificar una relación 1 a 1 de radio interior a

espesor de la placa. En aluminio de 0.375 pulgadas de espesor, el radio mínimo es 1.5 veces el espesor; para un espesor de 0.5 pulgadas, es 2 veces el espesor. El radio mínimo también aumenta con material más duro. Para 6061 de 0.25 pulgadas de espesor en una condición “T4”, el proveedor de material puede especificar el radio mínimo

como 3 veces el espesor; la placa de 0.375 pulgadas de espesor puede tener un radio mínimo de 3.5 veces el espesor; para placa con un espesor de 0.5 pulgadas puede ser 4 veces el espesor. La tendencia es obvia: entre más dura y gruesa sea la placa, mayor será el radio de doblez mínimo. Para aluminio 7050 de 0.5 pulgadas de espesor, el radio de doblez mínimo puede especificarse como 9.5 veces el espesor del material. De nuevo, el radio de doblez interior mínimo es todavía mayor al doblar en la dirección del grano. En acero entre 0.5 y 0.8 pulgadas de espesor, los grados 350 y 400 pueden tener un radio de doblez mínimo de 2.5 veces el espesor del material al doblar de manera transversal, mientras que el doblado longitudinal puede requerir un radio de doblez mínimo de 3.75 veces el espesor del material. Y entre 0.8 y 2 pulgadas de espesor es muy probable que se requiera formado en caliente.

4.- DEFINICION DE DOBLADO El doblado es un proceso de conformado sin separación de material y con deformación plástica utilizado para dar forma a chapas, alambres, barras, perfiles y tubos. Se utiliza, normalmente, una prensa que cuenta con una matriz (si es con estampa ésta tendrá una forma determinada) y un punzón (que también puede tener forma) que realizará la presión sobre la chapa. En el proceso, el material situado a un lado del eje neutro se comprimirá (zona interior) y el situado PROCESOS DE MANUFACTURA II: Proceso de Doblado Y Embutido

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en el lado opuesto (zona exterior) será traccionado como consecuencia de los esfuerzos aplicados. Esto provoca también un pequeño adelgazamiento en el codo de la chapa doblada, cosa que se acentúa en el centro de la chapa. A consecuencia de este estado de tracción-compresión el material tenderá a una pequeña recuperación elástica. Por tanto, si queremos realizar un doblado tendremos que hacerlo en un valor superior al requerido para compensar dicha recuperación elástica.

5.- DISPOSITIVOS Los dispositivos simples: son moldes de doblado o guarniciones cuyas superficies de apoyo sirven para doblar piezas a mano. Con dispositivos de doblado de secciones diversas se pueden realizar las operaciones de doblado mucho más fácilmente y con mayor precisión.

6.- HERRAMIENTAS Las herramientas de doblados: son herramientas de forma que se montan en las prensas. El movimiento activo o de doblado de la prensa se efectúa por golpes con palanca manual o mecánicamente.

7.- MAQUINAS Maquinas dobladoras: se distinguen las que poseen movimiento angular (plegadoras), lineal (prensas plegadoras) y las que poseen rodillos (curvadores de perfiles y de chapa). 

PLEGADORAS: curvado y plegado de chapas de distintos gruesos hasta S=4mm para fabricar perfiles abiertos con y sin bigornias o apoyos.


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

CILINDROS DE CURVAR PARA CHAPAS: el curvado se hace entre el cilindro superior y los de apoyo. Curvados de chapas para obtener perfiles curvados o abiertos (circulares o elípticos).



CURVADO DE REDONDOS: curvados de barras para obtener anillos circulares o piezas arqueadas.



CURVADO DE PERFILES: curvado de perfiles para obtener anillos circulares o piezas arqueadas



DOBLADORA DE TUBOS: se dobla con molde. Para conservar la forma de la sección se introduce en el tubo un núcleo. Doblados de tubos con curvas de: 30°, 45° ,60° y 90°, para diámetros superior a 1 pulgada.


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8.- PROCESO DEL DOBLADO: El proceso se realiza de la siguiente forma: 1. Fase: El punzón y la parte móvil de la matriz permanecen estáticos en el punto muerto superior, mientras que en la parte inferior se posiciona una chapa plana lista para ser doblada. 2. El punzón inicia la carrera de descenso, hasta hacer contacto con la chapa e iniciar el doblado de la misma. 3. Al final de la carrera de descenso el punzón alcanza el punto muerto inferior, y la pieza queda doblada. 4. Después del doblado, la parte superior o móvil de la matriz retrocede hasta alcanzar el punto muerto superior, mientras el extractor inferior saca la pieza fuera de la boca de la matriz. En ese momento el ciclo de trabajo ha finalizado y la matriz está preparada para doblar una nueva pieza. En el doblado las fuerzas externas actúan sobre la pieza de tal forma que las fuerzas internas no pueden oponerse a una deformación plástica permanente. A partir del eje de doblado el material resulta recalcado por dentro y estirado por fuera. El lugar de transición entre ambas zonas recibe el nombre de fibra neutra. El recalcado y el estirado del material se realizan por deformación de los cristales. Los iones metálicos resultan desplazados de sus sitios dentro de la red cristalina. Este desplazamiento se produce a lo largo de planos de deslizamiento. Cuantos más planos de deslizamiento posee un material más fácilmente se puede deformar.


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Donde:      

  ;   =  =  =  = = ;

= Fuerzas de doblado. Fuerzas internas opuestas al alargamiento. Fuerzas internas opuestas al recalcado. Fuerzas externas opuestas al alargamiento. Fuerzas externas opuestas al recalcado. Recuperación elástica cuando deja de actuar la carga.

En la transformación plástica se sobrepasa el límite elástico del material. Cuando se desplazan muchos iones metálicos (fuerzas de doblado grandes) disminuye la cohesión en los límites de los granos .en la zona de tensión máxima (zona de doblado máximo). Se produce una extracción con agrietamiento subsiguiente. La resistencia al doblado corresponde a la resistencia a la tracción, se designa:



La tensión de doblado disminuye hacia la fibra neutra. En sus proximidades el material se deforma solo elásticamente. Como toda deformación plástica está acompañada de una deformación elástica, después de todo doblado tiene lugar a una recuperación elástica. En todo proceso de doblado hay que tener en cuenta una recuperación que depende del tipo de material. La tensión de doblado es mayor, cuando mayor es la distancia a la fibra neutra. También aumenta la tensión al disminuir el radio de doblado.


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9.- VARIACIÓN DE FORMA DE SECCIÓN PRODUCIDA POR EL DOBLADO Al realizar la operación de doblado, la fibra neutra conserva su espesor, los granos en esa parte no cambian. En el lado estirado se ha produce una disminución de espesor del material mientras que en el lado recalcado un aumento.

En conjunto la resistencia al doblado depende de:     

El tipo de material. El tamaño de la sección de doblado. La posición de la sección de doblado con respecto al eje de doblado. El tamaño del radio de doblado. La temperatura del material.

10.- DOBLADO EN LÁMINAS METÁLICAS Los más comunes son: doblados en “V” y doblado de borde EN EL DOBLADO EN V: La lámina de metal se dobla entre un punzón y un dado en forma de V, los ángulos van desde los muy obtusos hasta los muy agudos. El doblado en V se usa generalmente para operaciones de baja producción y se realizan frecuentemente en una prensa de cortina, los correspondientes dados en V son relativamente simples y de bajo costo.

Doblado en “V” 1) antes y 2) despúes del doblado.

Los símbolos

=  =     ℎ ,

.

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 para sostener la base de la pieza contra PROCESOS DE MANUFACTURA II: Proceso de Doblado Y Embutido

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el troquel, mientras el punzón fuerza la parte volada para doblarla sobre el borde de un troquel. En el arreglo que se ilustra en la figura, el doblado se limita a ángulos de 90° o menores. Se pueden diseñar dados deslizantes más complicados para ángulos mayores de 90°. Debido a la presión del sujetador, los dados deslizantes son más complicados y más costosos que los dados en V y se usan generalmente para trabajos de alta producción.

Doblado de bordes 1) antes y 2) despúes del doblado. Los símbolos

=  =     ℎ =  ó ,

,

.

11.- ANALISIS DEL DOBLADO EN LAMINA METALICA Algunos términos importantes del doblado de lámina metálica se identifican en la siguiente figura:

El metal, cuyo grosor es” t” se dobla a través de un ángulo, llamado ángulo de doblado “A”. El

resultado es una lámina de metal con un ángulo inducido A', tal que A + A' = 180º. El radio del doblez “R” se especifica normalmente sobre la parte interna, en lugar de sobre el eje neutral.

Este radio del ángulo se determina por el radio de la herramienta que se usa para ejecutar la operación. El doblado se hace sobre el ancho de la pieza de trabajo “w”.

ANÁLISIS DE FUERZAS Tolerancia de doblado: Si el radio del doblado es pequeño con 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 parte final pueda coincidir con la dimensión especificada. El problema es determinar la longitud del eje neutro antes del doblado, para tomar en cuenta el estirado de la sección doblada final. Esta longitud se llama tolerancia de doblado y se puede estimar como sigue:


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 +   =2 360

Donde:     

 =  = = =  = 

tolerancia de doblado en mm. ángulo de doblado en grados. radio de doblado en mm. espesor del material en mm. factor para estimar el estirado.

Los siguientes valores de diseño se recomiendan para si R > 2t, = 0.50.



: si R < 2t entonces,



= 0.33;

y



Estos valores de predicen que el estiramiento ocurre solamente si el radio de doblado es más pequeño en relación con el espesor de la lámina. Recuperación elástica: Cuando la presión de doblado se retira, la energía elástica permanece en la parte doblada haciendo que ésta recobre parcialmente su forma original. Esta recuperación elástica es llamada recuperación elástica y se define como el incremento del ángulo comprendido por la parte doblada en relación con el ángulo comprendido por la herramienta formadora después de que ésta se retira. Esto se ilustra en la figura y se expresa como:

= ´ ´´ Donde:   

 = ´ = ´ =

recuperación elástica. ángulo comprendido por la lámina de metal, en grados. ángulo comprendido por la herramienta de doblado, en grados.

Fuerza de doblado: La fuerza que se requiere para realizar el doblado depende de la geometría del punzón y del dado, 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, basada en el doblado de una viga simple:

Donde:

       = 


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     

=  = = = =  =

fuerza de doblado, en N. resistencia a la tensión del metal en lámina, en MPa. ancho de la parte en la dirección del eje de doblez, en mm. espesor del material o la parte, en mm. dimensión del dado abierto, en mm. Constante

En mecánica, la ecuación de fuerza de doblado mencionada anterior se basa en el doblado de una viga simple, y es una constante que considera las diferencias para un proceso real de doblado, Su valor depende del tipo de doblado; para doblado en V, = 1.33 y para doblado de bordes, = 0.33.







EJEMPLO: Doblado de lámina metálica Se dobla una pieza hecha de lámina de metal como se muestra en la figura. El metal tiene un módulo de elasticidad E = 205 GPa, resistencia a la fluencia Y = 275 MPa y resistencia a la tensión TS = 448 MPa. Determine a) el tamaño inicial de la pieza y b) la fuerza de doblado, si se usa un dado en V con una abertura D = 25 mm.

SOLUCIÓN: A) La pieza inicial será 44 mm de ancho. Su longitud será igual a 38 + 25 + BA. Como se muestra, para un ángulo inducido A' = 120°, el ángulo de doblado = 60°, el valor de = 0.33 ya que R/t = 5/3 = 1.66 (menor que 2).



 +   = 2 60° (5+ 0.33∗3) →=6.27 =2 360 360° 38 +25 +6.27 = 69.27 

La longitud de la pieza es entonces


.

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 =1.33  1.33∗448∗10 ∗44∗10− ∗3∗10−       =  = = 9438.11  25∗10−

B) La fuerza se obtiene de la ecuación, usando

.

12.- CLASIFICACION DE LOS RADIOS DE DOBLADO Según el radio de doblados se distingue entre:  

PLEGADO (radios de doblado pequeños). CURVADO (radios de doblados grandes).

Ambos procedimientos se realizan a mano o mecánicamente, en estado frio o caliente. En muchos casos es necesario emplear herramientas, dispositivos y medios auxiliares especiales. Para doblar chapas, perfiles y productos huecos suelen ser necesarios preparativos que:   

Permitan realizar una conformación determinada. Eviten el agrietamiento por defecto de entallas en las aristas concurrentes. Eviten una variación excesiva de la sección transversal.

Plegado: El plegado es un proceso mecánico de doblado, en cuyos radios de doblado son pequeños: 1.- Plegado de fondo: El plegado a fondo es uno modo de plegado muy habitual porque se puede plegar con precisión con un tonelaje relativamente bajo. En la figura inferior la ‘T’ representa el espesor, la ‘V’ la anchura de la matriz y Ri el radio interior de plegado de la pieza. La anchura de

la V adecuada varía con el espesor de la chapa. En la tabla podemos observar la relación de la anchura de la V con relación al espesor de la chapa. Observamos que a mayor espesor de chapa mucho mayor debe ser la V. Existen otros aspectos a tener en cuenta para escoger la V adecuada para realizar un plegado que serán comentados más adelante.

En

 =  =  = 

y también

 =  =  = 2

En este tipo de plegado se ha de tener en cuenta el retorno elástico del material. 2.- Plegado parcial: El nombre de plegado parcial se debe al hecho de que la chapa durante el plegado está en contacto con 3 puntos (A, B y C del dibujo inferior) del utillaje.


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Con este método de plegado es posible plegar una gran variedad de ángulos. TABLA DE PLEGADO

La tabla de plegado es un instrumento básico para realizar cualquier operación de plegado. A continuación explicaremos la información que nos puede suministrar y la relación entre diversos parámetros que aparecen y que influyen en el plegado. La tabla de plegado nos muestra la fuerza de plegado necesaria por metro para un plegado al aire. Los valores que podemos obtener son: q Espesor (T) de la chapa expresada en mm en la columna de la izquierda. q Anchura de la V de la matriz en la primera fila expresada en mm. Se muestran las V estándar que se suelen comercializar. q Ala mínima de plegado (b) que se puede plegar. Medida exterior expresada en mm. Para realizar un plegado con precisión y seguridad es necesario que durante todo el proceso de plegado la chapa se encuentre siempre apoyada en los extremos de V de la


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matriz. En caso contrario la chapa se puede deslizar hacia el interior de la matriz y por tanto la línea de plegado puede cambiar y ser peligroso.

Radio interno (Ri) de plegado de la chapa que se obtendrá. Como hemos mencionado anteriormente el radio de plegado es aproximadamente una sexta parte de la anchura de la V. Fuerza de plegado por metro necesaria para plegar acero de 45-50 Kg/mm2. Para determinar la fuerza necesaria primero se ha de determinar la V necesaria para el espesor T de la chapa que queremos plegar. Seguir en horizontal la línea del espesor de chapa hasta que se encuentre con la columna correspondiente a la V seleccionada. Por ejemplo, si escogemos una V=12 para plegar chapa de 2 mm de espesor encontraremos que la fuerza necesaria es 22 Toneladas por metro. Si el espesor T es 6 y la V=50 la fuerza necesaria será de 48 Toneladas por metro.

13.- OTRAS OPERACIONES DE DOBLADO Y OPERACIONES RELACIONADAS CON EL FORMADO Formado de bridas: Es una operación en la cual el filo de la lámina de metal se doble en un ángulo de 90º para formar un borde. Se usa frecuentemente para reforzar o dar rigidez a la pieza de lámina metálica. El borde se puede formar en un doblez sobre un eje recto, como se ilustra en la figura a), o puede involucrar algunos estiramientos o contracciones del metal, como en los incisos b) y c).

El doblez: Involucra el doblado del borde de la lámina sobre sí misma en más de un paso de doblado. Esto se hace frecuentemente para eliminar el borde agudo de la pieza, a fin de incrementar la rigidez y mejorar su apariencia. El engargolado o empate es una operación relacionada en la cual se ensamblan dos bordes de láminas metálicas. El doblez y el engargolado se ilustran en la figura a) y b). En el rebordeado, también llamado formado de molduras, los bordes de la pieza se producen en forma de rizo o rollo, como se muestra en la figura c). Tanto esta operación como el doblez PROCESOS DE MANUFACTURA II: Proceso de Doblado Y Embutido

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se hacen con fines de seguridad, resistencia y estética. Algunos ejemplos de productos en los cuales se usa el rebordeado incluyen bisagras, ollas, sartenes y cajas para relojes de bolsillo. Estos ejemplos demuestran que el rebordeado se puede ejecutar sobre ejes rectos o curvos.

14.- OPERACIONES MISCELÁNEAS DE DOBLADO En la figura se muestran algunas otras operaciones de doblado para ilustrar varias formas en las que se puede doblar una lámina. La mayoría de estas operaciones se realiza en troqueles relativamente simples y similares a los troqueles en V. a) Doblado en canal, b) Doblado en “U”, c) Doblado al aire, d) Doblado escalonado, e) Corrugado

y f) Formado de tubo. F = fuerza aplicada.


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PROCESO DE EMBUTIDO 1.- DEFINICIÓN DE EMBUTIDO El embutido es una operación de formado de láminas metálicas que se usa para hacer piezas de forma de copa 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, como se muestra en la figura. La forma debe aplanarse contra el dado por un sujetador de formas. Las piezas comunes que se hacen por embutido son latas de bebidas, casquillos de municiones, lavabos, utensilios de cocina y partes para carrocería de automóviles.

En la FIGURA: a) Embutido de una pieza acopada: 1. Inicio de la operación antes de que el punzón toque el trabajo. 2. Cerca del fin de la carrera. b) piezas de trabajo correspondientes: 1. Forma inicial. 2. Pieza embutida. Los símbolos indican:       

=  =  =  =  = = ℎ =

espacio. diámetro de la forma inicial. diámetro del punzón. radio de la esquina del troquel. radio de la esquina del punzón. fuerza de embutido. fuerza de sujeción.


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2.- MECÁNICA DEL EMBUTIDO El embutido de piezas acopladas es la operación básica del embutido, con las dimensiones y los parámetros que se muestran en la figura anterior. Se embute un disco de diámetro dentro de un troquel por medio de un punzón de diámetro . El punzón y el troquel deben tener un radio en las esquinas determinado por y . Si el punzón y el troquel tienen esquinas agudas ( ), se realizará una operación de perforado de un agujero en lugar de una operación de embutido. Los lados del punzón y del troquel están separados por un espacio . Éste es aproximadamente 10% mayor que el espesor del material en embutido:

   = 0

 









 = 1.1 

El punzón aplica una fuerza hacia abajo para realizar la deformación del metal, y el sujetador de piezas o de formas aplica una fuerza de sujeción hacia abajo , como se muestra en el diagrama.

ℎ

Conforme el punzón se recorre hacia abajo, hasta su posición final, la pieza de trabajo experimenta una serie compleja de esfuerzos y deformaciones al tomar gradualmente la forma definida por el punzón y la cavidad del troquel. Las etapas en el proceso de deformación se ilustran en la siguiente figura:

Cuando el punzón empieza a empujar el trabajo, sujeta al metal a una operación de doblado. La lámina es doblada simplemente sobre la esquina del punzón y la esquina del troquel, como se muestra en la figura (2). El perímetro exterior de la forma se mueve hacia el centro en esta primera etapa pero sólo ligeramente. A medida que el punzón avanza, ocurre una acción de enderezado del metal que fue previamente doblado sobre el radio del troquel, figura (3). El metal en el fondo de la copa, así como a lo largo del radio del punzón, se ha movido hacia abajo junto con el punzón, pero el metal que se había doblado sobre el radio del troquel debe enderezarse para que pueda jalarse dentro del espacio y formar la pared del cilindro. En este punto se necesita más metal para remplazar al que ahora forma la pared del cilindro. Este nuevo metal viene del borde exterior de la forma original. El metal en la porción exterior de la forma se jala o embute hacia la apertura PROCESOS DE MANUFACTURA II: Proceso de Doblado Y Embutido

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del troquel para sustituir al metal previamente doblado y enderezado que ahora forma la pared del cilindro. De este tipo de flujo de metal a través de un espacio restringido es de donde toma su nombre el proceso de embutido. Durante esta etapa del proceso, la fricción y la compresión juegan papeles importantes en la brida de la pieza. Para que el material de la brida se mueva hacia la apertura del troquel, debe superar la fricción entre la lámina de metal y las superficies del sujetador y del troquel. Inicialmente se involucra la fricción estática hasta que el metal empieza a moverse; cuando empieza el flujo de metal, la fricción dinámica gobierna el proceso. La magnitud de la fuerza de sujeción aplicada por el sujetador, así como las condiciones de fricción de las dos interfaces, son factores que determinan el éxito de este aspecto de la operación de embutido. Generalmente se usan lubricantes o compuestos para reducir las fuerzas de fricción durante el embutido. Además de la fricción, ocurre también la compresión en las pestañas exteriores de la forma. A medida que el metal de esta porción de la forma se estira hacia el centro, el perímetro exterior se hace menor. Debido a que el volumen del metal permanece constante, el metal se comprime y se hace más grueso al reducirse el perímetro. Esto ocasiona frecuentemente el arrugado de la brida remanente de la pieza o forma, especialmente cuando la lámina es delgada o cuando la fuerza del sujetador es demasiado baja. Esta condición no puede corregirse una vez que ha ocurrido. Los efectos de la fricción y de la compresión se ilustran en la figura (4). La fuerza de sujeción aplicada sobre la forma se ve ahora como un factor crítico en el embutido profundo. Si ésta es muy pequeña, ocurre el arrugamiento; si es muy grande, evita que el metal fluya adecuadamente hacia la cavidad del troquel, ocasionando estiramiento y posible desgarramiento de la lámina de metal. La determinación de la fuerza adecuada de sujeción implica un delicado balance entre estos factores opuestos. El movimiento progresivo del punzón hacia abajo ocasiona la continuación del flujo de metal, causado por el estirado y la compresión que se han descrito previamente. Ocurre además cierto adelgazamiento de las paredes del cilindro, como en la figura (5). A la fuerza que aplica el punzón se opone la del metal, en forma de deformación y fricción durante la operación. Una parte de la deformación involucra estiramiento y adelgazamiento del metal al ser jalado sobre el borde de la abertura del troquel. En una operación exitosa de embutido puede ocurrir hasta 25% de adelgazamiento, la mayor parte cerca de la base de la copa.

3.- ANÁLISIS DE INGENIERÍA DEL EMBUTIDO Es importante valorar las limitaciones sobre la magnitud que puede alcanzar el embutido. A menudo algunas medidas simples que pueden calcularse fácilmente para una determinada operación sirven como guía. Además, la fuerza de embutido y la fuerza de sujeción son variables importantes del proceso. Por último, debe determinarse el tamaño de la forma inicial. Medidas de embutido: Una medida de la severidad de una operación de embutido profundo es la relación de embutido . Ésta se define más fácilmente para una forma cilíndrica como la relación entre el diámetro de la forma inicial y el diámetro del punzón . En forma de ecuación,



 = 




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La relación de embutido proporciona un indicativo, aunque crudo, de la severidad de una determinada operación de embutido. A mayor relación, mayor severidad de la operación. Un límite superior aproximado de la relación de embutido es un valor de 2.0. El valor limitante real para una operación depende del radio de las esquinas en el punzón y el troquel ( ), de las condiciones de fricción, de la profundidad de embutido y de las características de la lámina de metal (por ejemplo, ductilidad y grado de direccionalidad de las propiedades de resistencia en el metal).

   

Otra forma de caracterizar una operación dada de embutido es por la reducción , donde:

 =   

Está vinculada muy estrechamente con la relación de embutido. Consistente con el límite previo de DR (DR ≤ 2.0), el valor de la reduc ción r debe ser menor que 0.50.

/

Una tercera medida en el embutido profundo es la relación de espesor al diámetro (espesor de la forma inicial t dividido entre el diámetro de la forma ), cuyo valor en porcentaje es recomendable que sea mayor que 1%. Conforme decrece , 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 , la forma debe ser embutida en dos o más pasos, algunas veces con recocido entre ellos.

/

Fuerzas: La fuerza de embutido requerida para realizar una operación dada se puede estimar aproximadamente mediante la fórmula:

F = π     0.7 Donde:     

F= t= TS = D y  =

fuerza de embutido, en N. espesor original de la forma, en mm. resistencia a la tensión, en MPa. son los diámetros de la forma inicial y del punzón respectivamente, en mm. La constante es factor de corrección para la fricción.

0.7

Esta ecuación estima la fuerza máxima en la operación. La fuerza de embutido varía a través del movimiento hacia abajo del punzón, alcanzando usualmente su valor máximo a una tercera parte de la longitud de la carrera. La fuerza de sujeción es un factor importante en la operación de embutido. Como una primera aproximación, la presión de sujeción se puede fijar en un valor de 0.015 de la resistencia a la fluencia de la lámina de metal. Este valor se multiplica por la porción del área de la forma inicial que será sostenida por el sujetador. En forma de ecuación:

  

F= Y= t=

ℎ =0.015 { ( +2.2 +2)}

fuerza de embutido, en N. resistencia a la fluencia de la lámina de metal, en MPa. espesor inicial del material, en mm.


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 

R =

radio de la esquina del troquel, en mm. Los demás términos se definieron antes.

La fuerza de sujeción es de manera usual una tercera parte, aproximadamente, de la fuerza o embutido. Determinación del tamaño de la forma: Para lograr una dimensión satisfactoria de una pieza embutida cilíndrica, se necesita el diámetro correcto de la forma inicial. Ésta debe ser lo suficientemente grande para suministrar el metal necesario que complete la pieza. Si hay demasiado material, habrá desperdicio innecesario. Para formas no cilíndricas, existe el mismo problema para estimar el tamaño de la forma inicial, sólo que ésta no será redonda. A continuación se describe un método razonable para estimar el diámetro de la forma inicial en una operación de embutido profundo en la que se produce una pieza redonda (por ejemplo, vasos cilíndricos y formas más complejas grandes con simetría axial). Como el volumen del producto final es el mismo que el de la pieza metálica inicial, el diámetro de la forma inicial puede calcularse si se establece que el volumen inicial de la forma es igual al volumen final del producto, y se despeja el diámetro . Para facilitar los cálculos, generalmente se supone que el adelgazamiento de las paredes es nulo.



4.- OTRAS OPERACIONES DE EMBUTIDO El estudio se ha enfocado en una operación convencional de embutido acopado que produce una forma cilíndrica simple en un solo paso y usa un sujetador para facilitar el proceso. Se analizan algunas variantes de esta operación básica. Reembutido: Si el cambio de forma que requiere el diseño de la pieza es demasiado se-vero (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. En la figura se ilustra una operación de reembutido.

En la FIGURA: Reembutido de una copa: 1. Inicio del reembutido. 2. Final de la carrera. Los símbolos indican: 

=

velocidad del punzón.


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 

= ℎ =

fuerza aplicada por el punzón. fuerza del sujetador de formas.

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 [8]: 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%. Una operación relacionada es el embutido inverso, en el cual se coloca una pieza embutida hacia abajo en el troquel y una segunda operación de embutido produce una configuración como la que se muestra en la siguiente figura.

En la FIGURA: Embutido inverso: 1. Inicio. 2. Terminación. Los símbolos indican:   

= = ℎ =

velocidad del punzón. fuerza aplicada por el punzón. fuerza del sujetador de formas.

Aunque puede parecer que el embutido inverso podría producir una deformación más severa que el reembutido, en realidad es más fácil en el metal. La razón es que en el embutido 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 embutido inverso y, por lo tanto, la fuerza del embutido es menor. Embutido de formas no cilíndricas: Muchos productos requieren el embutido de formas no cilíndricas. La variedad de formas embutidas incluyen formas cuadradas, cajas rectangulares (lavabos), copas escalonadas, conos, copas con bases esféricas más que planas y formas curvas irregulares (como ocurre en los paneles de las carrocerías de automóviles). Cada una de estas formas representa un problema técnico único en embutido. PROCESOS DE MANUFACTURA II: Proceso de Doblado Y Embutido

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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 t/Db es lo suficientemente grande, se puede alcanzar el embutido sin necesidad de un sujetador, como se muestra en la figura.

En la FIGURA: Embutidos sin sujetador: 1. Inicio del proceso. 2. Fin de la carrera. Los símbolos indican: 

=

indican movimiento y fuerza aplicada, respectivamente.

Puede estimarse la condición limitante para el embutido sin sujetador mediante la siguiente expresión:

  <  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 la necesidad de un control separado de los movimientos del sujetador y del punzón.

5.- 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 figura:


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En la FIGURA: Defectos comunes en las piezas embutidas: a) b) c) d) e)

El arrugamiento puede ocurrir en la pestaña. En la pared. Desgarramiento. Orejeado. Rayados superficiales.

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.


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BIBLIOGRAFÍA LIBRO:   

Kalpakjian-5-manufactura-Ingenieria-y-Tecnologia. Estampado en frio de la chapa: estampas-matrices-punzones-prensas y máquinasMario-Rossi. Fundamentos de Manufactura Moderna-Groove 3° edición.

LINKS: 

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http://www.interempresas.net/Deformacion-y-chapa/Articulos/8647-Evolucion-delos-procesos-de-corte-y-deformacion-de-chapa.html https://es.scribd.com/document/123862718/doblar-pdf https://www.thefabricator.com/spanish/aspectos-generales-del-doblado-losfundamentos-del-doblado-pesado https://prezi.com/hqnr-xyecghr/procesos-de-doblado-embutido-troquelado-yextrusion/ https://es.scribd.com/doc/259923687/Proceso-de-Embutido http://sisbib.unmsm.edu.pe/bibvirtualdata/publicaciones/indata/Vol2_n1/pdf/proc eso.pdf


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Proceso de Doblado y Embutido

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