CONFORMACIÓN METÁLICA En ocasiones, la idoneidad de un material para una aplicación viene dada por la facilidad de conformación y por el precio. Las técnicas de conformación metálica son los métodos utilizados para formar o manufacturar productos metálicos útiles y suelen ir precedidos por procesos de afino, aleación y, y, a menudo, tratamiento térmico que generan aleaciones con las propiedades deseadas. La clasificación de las técnicas de conformación incluye métodos de conformado, moldeo, pulvimetalurgia, soldadura y mecanizado; normalmente se utilizan dos o más métodos para terminar una pieza. Los métodos escogidos dependen de varios factores; los más importantes son las propiedades del metal, el tamaño y forma de la pieza acabada y, desde luego, el precio. Las técnicas de conformación discutidas en este capítulo se clasifican según el esquema de la Figura.
CONFORMADO Las operaciones de conformado conformado cambian la forma de una preforma metálica por deformación deformación plástica. Las técnicas de conformado más utilizadas son: FORJA, LAMINACIÓN, EXTRUSIÓN Y TREFILADO TREFILADO.. La deformación se lleva a cabo mediante una fuerza o tensión externa, cuya magnitud debe exceder exceder al límite elástico del material. La mayoría de los materiales metálicos son susceptibles al conformado, conformado, puesto que son moderadamente moderadamente dúctiles y capaces de experimentar deformación permanente sin romperse (PLASTICIDAD). Si la deformación plástica se realiza a temperatura superior a la de recristalización, el proceso se denomina conformado en caliente; de lo contrario, se denomina conformado en frío. Los procesos de conformado en frío son más baratos, La mayoría de las l as técnicas de conformado pueden trabajar en caliente y en propo proporc rcion ionan an unas unas toler toleranc ancias ias más estre estrecha chass y permit permiten en obten obtener er frío. En el conformado en caliente se generan grandes deformaciones produ producto ctoss con una amplia amplia gama gama de caract caracterí erísti sticas cas mecáni mecánicas cas.. puesto que el metal permanece blando y dúctil y es posible la sucesiva repetición. Además la energía necesaria para la deformación es menor que en el conformado en frío. Sin embargo, la mayoría de los metales experimentan experimentan alguna oxidación superficial, lo que origina pérdida de material y mal acabado superficial El conformado en frío aumenta la resistencia y disminuye la ductilidad, ya que el metal adquiere acritud (El (El metal se endurece en el curso de la deformación). deformación ). Las ventajas con respecto al conformado en caliente son: alta calidad del acabado superficial, mejores propiedades mecánicas, y más variadas, y gran control dimensional de la pieza acabada. A veces la deformación total se alcanza con una serie de etapas en las que la pieza se deforma en cierta extensión y luego se recuece (tratamiento térmico
CONFORMADO Las operaciones de conformado conformado cambian la forma de una preforma metálica por deformación deformación plástica. Las técnicas de conformado más utilizadas son: FORJA, LAMINACIÓN, EXTRUSIÓN Y TREFILADO TREFILADO.. La deformación se lleva a cabo mediante una fuerza o tensión externa, cuya magnitud debe exceder exceder al límite elástico del material. La mayoría de los materiales metálicos son susceptibles al conformado, conformado, puesto que son moderadamente moderadamente dúctiles y capaces de experimentar deformación permanente sin romperse (PLASTICIDAD). Si la deformación plástica se realiza a temperatura superior a la de recristalización, el proceso se denomina conformado en caliente; de lo contrario, se denomina conformado en frío. Los procesos de conformado en frío son más baratos, La mayoría de las l as técnicas de conformado pueden trabajar en caliente y en propo proporc rcion ionan an unas unas toler toleranc ancias ias más estre estrecha chass y permit permiten en obten obtener er frío. En el conformado en caliente se generan grandes deformaciones produ producto ctoss con una amplia amplia gama gama de caract caracterí erísti sticas cas mecáni mecánicas cas.. puesto que el metal permanece blando y dúctil y es posible la sucesiva repetición. Además la energía necesaria para la deformación es menor que en el conformado en frío. Sin embargo, la mayoría de los metales experimentan experimentan alguna oxidación superficial, lo que origina pérdida de material y mal acabado superficial El conformado en frío aumenta la resistencia y disminuye la ductilidad, ya que el metal adquiere acritud (El (El metal se endurece en el curso de la deformación). deformación ). Las ventajas con respecto al conformado en caliente son: alta calidad del acabado superficial, mejores propiedades mecánicas, y más variadas, y gran control dimensional de la pieza acabada. A veces la deformación total se alcanza con una serie de etapas en las que la pieza se deforma en cierta extensión y luego se recuece (tratamiento térmico
Conformado en caliente Al calentar una aleació alea ción n metá metálic licaa
↓σys ↑ ductilidad
endurecim endure cimien iento to por deformación Durante el conformado en caliente
simultáneamente
se requieren menores pres pr esio ione ness de co conf nfor orma mado do y adem emás ás es posible obtener pieza pi ezass má máss co comp mple lejas jas..
Procesos de conformado específicos Tabla.- Tolerancias dimensionales y rugosidades de los procesos de conformado
Fusión Metalurgia de polvos Deformación plástica
Mecanizado
Conf Confor orma mado do por por def deforma ormaci ción ón plás plásti ticca: MEJO MEJORE RESS proc proces esos os a la hora hora de dar dar forma orma a mate materi rial ales es metálicos que que deba deban n aseg asegur urar ar un comportamie comportamiento nto mecánico mecánico excelente excelente
Procesos de deformación en frío: propiedades dependientes del grado de deformación
Conformado en caliente: T > 0.6Tf (K)
Conformado en frío: T< 0.35 Tf (K)
(por encima de la temperatura de recristalizac recrist alización ión del materi material) al)
(por debajo de la temperatura de recristalizac recrist alización ión del materia material) l)
Los procesos de conformado conformado en en frío son más baratos,
CONFOR CON FORMAD MADO O POR DEF DEFORM ORMACI ACIÓN ÓN PLÁ PLÁSTI STICA CA Procesos primarios
Procesos secundarios
tolerancias más estrechas
-Laminación
-Forja
y permiten obtener
-Extrusión
-Estampación
proporcionan unas
productos con una amplia
Procesos de deformación en caliente: la microestructura y las propiedades finales dependen están estrechamente ligadas al buen control de las temperaturas, tiempos y deformaciones aplicadas.
Efectos metalúrgicos de conformado
Aumento del límite elástico CONFORMADO EN FRÍO
Disminuye la ductilidad
Si la deformación supera un determinado nivel, el material se rompe
RECOCIDO DE RECRISTALIZACIÓN
Aumenta el coste de estos procesos, pero ofrece una versatilidad mayor que los procesos realizados en caliente, ya que ajustando el ciclo de deformaciónrecristalización se pueden conseguir productos finales con características mecánicas bien diferentes
Laminación Mediante laminación se modifican a formas comerciales los perfiles colados en lingoteras o en máquinas de colada continua. Algunas de estas formas son aptas para su empleo directo (carriles, vigas…). Otras, han de sufrir modificaciones adicionales como es el caso de la chapa o alambre. Los semiproductos obtenidos en las máquinas de colada continua (palanquillas y llantones) no pueden utilizarse directamente, ya que requieren un proceso que les dé forma comercial a la vez que mejore sus características mecánicas. Como más usuales se pueden citar: - Conformación: Laminación y forja. - Acabado: Deformación en frío, recubrimientos, mecanizado y soldadura. - Modificación de propiedades: Tratamientos térmicos, tratamientos termomecánicos.
Fundamento de la laminación
En su forma más elemental, un laminador está constituído por dos o más cilindros que giran en sentidos contrarios entre sí. La distancia entre las superficies cilíndricas enfrentadas es siempre menor que el espesor inicial del lingote, por lo que éste, al pasar entre los dos cilindros se aplasta y se alarga proporcionalmente a la reducción de sección. Durante el trabajo, el lingote queda sometido a la acción de una fuerza R , normal a la superficie de contacto, es decir, según un radio del cilindro (figura ). Esta fuerza, que es la resultante de todas las fuerzas elementales que actúan sobre la superficie de contacto, puede descomponerse en dos. Una es la componente horizontal o de estiramiento S = R sen α, y la otra es la componente normal o de aplastamiento N = R cos α. El avance del lingote es debido al rozamiento en la superficie de contacto, por lo que es necesario, para que este avance se produzca, cumplir la desigualdad:
fN>S Siendo f el coeficiente de rozamiento entre cilindro y lingote . Si se cumple esta condición, se tiene una fuerza horizontal T = f N - S que hace avanzar el lingote, mientras la componente N lo aplasta. Por efecto del aplastamiento y estirado, el metal adquiere una estructura estratificada en el sentido de la laminación (“fibra”). Si se disminuye el diámetro de los cilindros, la componente S crece. Por consiguiente, para satisfacer la desigualdad enunciada anteriormente,
Laminación
La diferencia básica entre laminación y forja radica en que en la primera la deformación se produce en una sola dirección del espacio. Se obtienen productos de sección constante como chapas, perfiles o barras. En la forja, por el contrario, se modifica tridimensionalmente la forma del metal mediante la deformación plástica producida por presión o impacto. Se obtienen piezas como cigüeñales, árboles de levas, piñonería, herramientas agrícolas o mecánicas, cubertería, etc.
Laminación Deformación en la laminación t: espesor de la chapa
ε = Ln (t0 /t f )
Grado de reducción r =(t0- tf )/t0
Relación longitud -espeso r
Vl= cte
l0· w0 · t0 = lf · wf ·tf
l0 · t0 = lf · tf %
CW
w0 = wf Relac ión entr e ve loc idades de la ch apa a la entr ad a y s alida de los c ilindr o s
(Q = S x v)
v0· w0 ·t0 = vf · wf ·tf =v0 ·t0 = vf ·tf
100
Ai
A f
Ai
Anchura inicial
hi
100
ei hi
e f h f
ei hi
Anchura final
h f
100
ei
ei
e f
Laminación
Laminación de un perfil hueco cerrado
Laminación
Laminación de anillos
Laminación roscas
Laminación de tubos de pared gruesa
EXTRUSIÓN La extrusión es un proceso mediante el cual un bloque metálico se reduce de sección transversal al ser forzado a pasar a través de un dado o matriz agujereada por la aplicación de una presión elevada Extrusión en caliente Debido a las fuerzas elevadas requeridas en la extrusión, la mayoría de los metales son e x t r u i d o s e n c a l i en t e , condiciones donde la resistencia a la deformación del metal es baja, aumenta la ductilidad y permite mayores reducciones de tamaño y el logro de formas más complejas. Ventajas adicionales Reducción de la fuerza del punzón, mayor velocidad del mismo.
Desventajas Desgaste del dado puede ser excesivo. La lubricación es un aspecto crítico de la extrusión en caliente de ciertos metales (por ejemplo el acero), y se han desarrollado lubricantes especiales que son efectivos bajos las condiciones
Material Plomo Aluminio y sus aleaciones Cobre y sus aleaciones Aceros Aleaciones refractarias
Temperatura (oC) 200-250 375-475 650-975 875-1300 975-2200
Procesos de extrusión Los diferentes procesos comunes a través de los cuales una barra o alambre pueden ser reducidos haciéndolos fluir por un dado convergente son la extrusión directa, extrusión indirecta, extrusión hidrostática y extrusión por impacto. Todos estos procesos pueden ser clasificados como procesos de compresión indirecta en el que el principal esfuerzo de conformado se deriva de los esfuerzos compresivos como resultado de la tensión directa o cargas compresivas
Extrusión directa En el proceso básico de extrusión, llamado extrusión directa, una palanquilla cilíndrica se coloca en una cámara (recipiente) y es forzada a pasar a través de la abertura de una matriz mediante un pistón hidráulico que la comprime La abertura del dado puede ser circular o tener otras formas. Al aproximarse el punzón al dado, una pequeña porción del tocho permanece y no puede forzarse a través de la abertura del dado. Esta porción extra es llamada tope o cabeza y se separa del producto, cortándola justamente después de la salida del dado. Un problema en la extrusión directa es la gran fricción que existe entre la superficie del trabajo y la pared del recipiente al forzar el deslizamiento del tocho hacia la abertura del dado.Esta fricción ocasiona un aumento sustancial de la fuerza requerida en el punzón para la extrusión directa. En la extrusión en caliente este problema se agrava por la presencia de una capa de óxido en la superficie del tocho que puede ocasionar defectos en los productos extruidos. Para resolver este problema se usa un bloque falso entre el punzón y el tocho de trabajo, el diámetro del bloque es ligeramente
Extrusión indirecta En la extrusión indirecta el dado se mueve hacia la palanquilla y ésta fluye en sentido opuesto a la primera. Como el tocho no se mueve con respecto al recipiente, no hay fricción en las paredes del recipiente. Por consiguiente, la fuerza del punzón es menor que en la extrusión directa. Las limitaciones de la extrusión indirecta son las impuestas por la menor rigidez del punzón hueco y la dificultad de sostener el producto extruido tal como sale del dado.
Menor fuerza
Extrusión por impacto La extrusión por impacto se parece a la extrusión indirecta; con frecuencia se incluye en la categoría de la extrusión en frío. El punzón desciende rápidamente sobre la pieza que se extruye hacia atrás. Debido a la constancia de volumen, el espesor de la sección tubular extruida es función de la holgura entre el punzón y la cavidad del dado o la matriz. Algunos productos característicos que se fabrican con este proceso son por ejemplo, la extrusión en frío de tubos colapsables como los de la crema dental se ilustran en la figura.
Extrusión hidrostática En la extrusión hidrostática la palanquilla tiene menor diámetro que la cámara, que se llena con un fluido y la presión se transmite a la palanquilla mediante una prensa. A diferencia de la extrusión directa, no hay fricción que superar a lo largo de las paredes del recipiente. La presión necesaria para la extrusión se suministra a través de un fluido incompresible que rodea a la palanquilla. En consecuencia no hay fricción entre la cámara y la pared. Las presiones suelen ser del orden de 1400 MPa. La alta presión en la cámara transmite algo de fluido a las superficies de la matriz, donde se reduce en forma apreciable la presión y las fuerzas. Con este método se pueden extruir bien los materiales frágiles, porque la presión hidrostática hace aumentar la ductilidad del material.
Equipos para la extrusión Las prensas de extrusión pueden ser horizontales o verticales, dependiendo de la orientación de los ejes de trabajo. Las tipos horizontales son las más comunes. Las prensas de extrusión son normalmente accionadas por fuerza hidráulica (120 MN o 14000 t), la cual es especialmente apropiada para la producción semicontinua de secciones largas, como en la extrusión directa. Frecuentemente se usa la impulsión mecánica para la extrusión en frío de partes individuales, tales como la extrusión por impacto.
Defectos de extrusión De acuerdo con la condición del material y las variables del proceso, los productos extruidos pueden desarrollar varios defectos que pueden afectar en forma apreciable su resistencia y su calidad. Algunos defectos son visibles a ojo; otros sólo se pueden descubrir con las técnicas de ensayos no destructivos. Hay tres defectos de extrusión principales: agrietamiento de la superficie, tubos y agrietamiento interno. Agrietamiento de la superficie. Si la temperatura de extrusión, la fricción o la velocidad son demasiado altas, la temperatura en la superficie se incrementan significativamente y esta condición puede causar el agrietamiento o desgarre de la superficie. Estas grietas son intergranulares y tienen su origen en una deficiencia de la ductilidad en caliente, presentándose especialmente en aleaciones de aluminio, magnesio y zinc, aunque también pueden presentarse en aleaciones para alta temperatura (aleaciones de molibdeno). Defecto de extrusión:
Tal como se señaló anteriormente, el patrón de flujo tiende a arrastrar los óxidos superficiales e impurezas hacia el centro del tocho en la forma de un embudo.
Agrietamiento interno El centro de un producto extruido puede desarrollar grietas de la manera ilustrada en las cuales son atribuidas a un estado hidrostático de esfuerzos de tracción que se desarrolla en la línea central de la zona de deformación en la matriz. Los estudios realizados indican que las variables más importantes que afectan la tracción hidrostática son: el ángulo de la matriz, magnitud de la reducción de la sección transversal de la pieza y la fricción.
Para una misma reducción, mientras mayor es el ángulo de la matriz más inhomogénea es la deformación a través de la pieza. Así mismo, se tiene una deformación severa de las capas superficiales del material para valores elevados del ángulo de la matriz, lo cual puede incluir una zona muerta. Además del ángulo de la matriz, otro factor importante en el agrietamiento interno es la longitud de contacto. Mientras menor es el ángulo de la matriz, mayor es la longitud de contacto, y el tamaño y la profundidad de la zona de deformación incrementan con el aumento de dicha longitud. Si las zonas de deformación que se encuentran debajo de las áreas de contacto entre la pared de la cámara y el material no entran en contacto entre sí, la deformación que sufre el material es altamente inhomogénea, impidiéndose que el centro del tocho entre en un estado plástico total, lo cual conlleva a la formación de las grietas internas. Sin lugar a dudas que esta clase de defectos se forman más fácilmente en materiales con altos
Variables principales que influyen en el proceso de extrusión Las principales variables que influyen en la fuerza requerida para causar la extrusión son: (a) El tipo de extrusión (directa o indirecta) (b) La relación de extrusión (c) El ángulo del dado (d) La temperatura de trabajo (e) La velocidad de deformación (f) Las condiciones friccionales en el dado y la pared del contenedor
Estirado o Trefilado (Proceso de extrusión para obtener hilos) El trefilado es un proceso de conformado basado en la ductilidad de los metales. Consiste en forzar a pasar mediante tracción una barra laminada en caliente por un taladro de diámetro inferior al exterior de la propia barra, con lo que el metal se va adelgazando y alargando. La pieza que tiene el taladro para el paso del hilo se denomina “hilera” o “matriz”.
Por simple laminación en caliente no se consigue llegar a diámetros muy pequeños. Por trefila se obtienen alambres de hasta 0.15 mm de diámetro, caso del cablecillo para neumáticos radiales. El trefilado provoca acritud que aumenta la resistencia a la tracción. Se fabrican alambres de diámetros muy variables que pueden llegar a superar 10 mm, como es el caso del alambre para hormigón pretensado. También obtener propiedades mecánicas muy elevadas, como se da en alambres estirados de alta resistencia que partiendo de acero de calidad alcanzan resistencias a tracción superiores a 250 kg/mm2, los máximos alcanzables por un acero.
Aunque la presencia de esfuerzos de tensión es obvia en la trefilación, la compresión también juega un papel importante ya que el metal se comprime al pasar a través de la abertura del dado.
Aceros para trefilado El primer grupo de aceros de trefilería lo constituyen los aceros dulces, bajos en carbono, que por su baja dureza trefilan muy bien. Se utilizan para muchas aplicaciones en diferentes medidas y grados de acabado. El segundo grupo son los aceros medios o altos en carbono. La mejor estructura de trefilado es la sorbítica, obtenida por austenización seguida de transformación isotérmica en baño de plomo (“patentado”). En el caso de partir de un material laminado en caliente, el patentado se efectúa al aire, aprovechando su calor de laminación y controlando debidamente su temperatura y enfriamiento para alcanzar la adecuada estructura sorbítica.
Aunque el procedimiento de trabajo es fundamentalmente el mismo, estirado y trefilado se diferencian en tres aspectos fundamentales: (a).- El trefilado se aplica a redondos delgados, mientras que el estirado se aplica a barras más gruesas y a tubos. (b).- En el trefilado se pretende adelgazar el material; el endurecimiento y calibrado vienen por añadidura. En el estirado el objetivo es calibrar y endurecer mediante deformación. (c).- En el trefilado se adelgaza el material dando varias pasadas, mientras que en el estirado la operación se realiza en una sola. Para que un metal se pueda someter a trefilado ha de cumplir requisitos, como: - Ductilidad. - Resistencia para que no se rompa al ser estirado. - Uniformidad de composición y estructura. - Ausencia de defectos.
En el trefilado se hace pasar el alambrón laminado en caliente a través de una hilera que en esencia es una boquilla de diámetro inferior al del alambrón de partida, reduciéndose la sección del mismo. Como puede verse en la figura , el avance de la barra es debido a un esfuerzo de tracción que le obliga a pasar por el taladro de la hilera. Debido al rozamiento y a la disminución de sección el movimiento de traslación de las capas externas se retrasa en relación al de las zonas internas, por lo que éstas avanzan a mayor velocidad que aquéllas. Esto es causa de que el metal, después de trefilado, presente una estratificación característica, orientada en sentido inverso a la qu e se obtiene en la laminación. La reacción de la hilera contra el empuje del metal da origen a una fuerza R perpendicular a la superficie de contacto, es decir, según el radio de la embocadura de la hilera. Esta fuerza radial de reacción R puede descomponerse en dos: Una de ellas es la componente axial S, dirigida en sentido opuesto al avance; la otra es la componente radial N, perpendicular al eje de la barra. Mientras las componentes radiales N, por ser diametralmente opuestas, se anulan, las componentes axiales S se suman y frenan el movimiento de las zonas periféricas del material. Las principales variables en la trefilación se parecen a las de la extrusión: reducción de área transversal, ángulo del dado,
Equipo de trabajo El trefilado se realiza en máquinas de trefilar, compuestas de los elementos principales: (a).- Devanadera, donde se coloca el rollo de alambrón. (b).-Hilera (matriz), que es el órgano fundamental del trefilado. Las hileras tienen el taladro en forma de tronco de cono con aristas redondeadas (para facilitar el flujo del material, aunque pueden tener también otras formas). Su perfil longitudinal puede dividirse en cuatro partes (figura) que son: Embocadura, sección de reducción, sección de calibrado y cono de salida. Según el material de que se hagan las hileras, se denominan “regenerables ”, si se pueden estrechar cuando se desgastan, o “ no regenerables”. Se construyen de fundición durísima colada en coquilla, widia o de acero al wolframio, tratado térmicamente y rectificado; también diamante para hilos muy finos. Pueden estar formadas por una pieza única o por varios elementos acoplados y sujetos entre sí por un portamatrices (c).- Mecanismos de arrastre, que son los dispositivos que se encargan de halar del material. Los bancos de trefilar, están formados por un chasis sobre el que van fijadas las hileras, el volante de tracción accionado por un motor eléctrico y el caballete desenrrollador, que gira loco sobre su eje. La bobina de arrastre es la que tira del material.
Partes del dado para trefilación 1. La entrada al dado o campana presenta una geometría tal que permite ingresar, en conjunto, al alambre y al lubricante a la zona de deformación. 2. La región de apoyo no causa reducción, tiene como principal función remover la superficie dañada debido al posible desgaste del dado y además ajustar el diámetro definitivo del producto. 3. Finalmente, la región de alivio permite que el metal se expanda ligeramente a medida que el alambre sale del dado. Éste también minimiza la posibilidad de que la abrasión tome lugar si el proceso de trefilación se interrumpe o si el dado está fuera de alineación.
Caja de acero
Campana
Zona de deformación
Región de alivio
Equipos de trefilación La trefilación de barras que no pueden ser embobinadas (> 20 mm), se lleva a cabo en una máquina llamada banco de trefilación que consiste en una mesa de entrada, un bastidor del dado (que contiene el dado de trefilación, la corredera y la armazón de salida).
La trefilación del alambre, típicamente se hace en máquinas continuas que contienen múltiples dados de trefilación, generalmente entre 4 y 12 dados, separados por tambores de acumulación entre los dados como se ilustra en la figura .
Un diseño más económico emplea un motor eléctrico simple que maneja una serie de cilindros escalonados (Figura). El diámetro de cada cilindro es tal que produce una velocidad periférica equivalente para un cierto tamaño de reducción.
Defectos y problemas en el proceso Los defectos en los alambres que han sido trefilados son parecidos a los que se observan en la extrusión, en especial el agrietamiento central. Otra clase de defectos es el de traslapes (seams) que son rayaduras o pliegues longitudinales del material.
El procesamiento bajo condiciones elevadas de ε puede producir en la zona de deformación un estado hidrostático de
Trabajo ideal para la deformación En este análisis el Trabajo externo es igual a la energía consumida en la deformación de la pieza que se conforma. •Se asume Trabajo Ideal •Se ignoran los efectos de Fricción y deformación no homogénea
U h
W V
W A f l
F l A f l
d
A f l
A f l
d
Estableciendo algunas semejanzas entre el conformado de un alambre en forma axisimétrica con un ensayo de tracción Aquí el trabajo por unidad de volumen requerido, estará dado por el área bajo la curva esfuerzo deformación real dentro de los limites de deformación alcanzados durante el ensayo. Uh
d
donde
0
A Ln 0 A
En este sentido podríamos observar dos tipos de comportamiento 1. El material no experimenta endurecimiento por deformación Uh
Ym LnR
Trabajo ideal para la deformación En ocasiones, un esfuerzo de fluencia promedio, Ym se emplea sobre un intervalo de deformaciones homogéneas implicando esto que Uh
Uh
Ym LnR
n 1
Ym LnR
U h
Ym
Igualando ambas expresiones
Y m
K
n 1
n 1
n
K
n 1
n 1
K
n 1
Fricción, Trabajo redundante y Eficiencia Mecánica Ahora bien, indistintamente del desarrollo anterior, se sabe que la energía requerida para deformar realmente el material, involucra dos factores adicionales, uno es la energía requerida para superar la fricción (Uf ) en la intercara pieza de trabajo-Dado, y la otra es el trabajo redundante (Ur), que es la deformación cortante que acumula el material sin que ello contribuya al cambio de forma, y estará asociada a la distorsión que experimentan planos horizontales en la sección transversal de la pieza Por lo tanto la energía especifica total o el trabajo real (UT) se puede expresar como la suma de tres términos
U
T
U
h
U
f
U r
Es importante destacar aquí, que dos de estas tres magnitudes ( Uf y Ur ) son altamente dependientes del ángulo o geometría del dado, lo cual en la practica hace complicado separar la contribución de estas cantidades Lo anteriormente expuesto sugiere la inclusión del concepto de eficiencia mecánica, en términos de
U h U T
Empleando el factor de eficiencia mecánica, el trabajo total se podría escribir como
De igual forma aquí se tendrán que aceptar dos puntos de vista relacionados con la ocurrencia o no de endurecimiento por deformación
U T
1
U T
d
U h
a LnR
U h
Sin endurecimiento por deformación
n 1
K
( n 1)
Con endurecimiento por deformación
Determinación de la carga de trefilación a partir de la evaluación local del esfuerzo A partir del análisis sobre un elemento de volumen ubicado dentro de la zona de trabajo, y considerando fundamentalmente tres componentes de fuerzas que actúan en dicho elemento se tiene Debido al cambio del esfuerzo longitudinal
x d x D dD 4
Debido a la presión
Debido a la fricción
p D
2
x
D
2
4
dx cos
p D
sen
dx
sen cos
Bajo condiciones de trefilacion en estado estacionario, estas fuerzas se deben mantener en equilibrio. Así ignorando los productos infinitesimales e igualando a 0 se tiene que 0 Dd x 2 x p 1 cot dD
Por otra parte el equilibrio en la dirección radial
Luego como los ángulos del dado son pequeños la dirección de P es prácticamente normal al eje x, por lo que podemos asumir que P y σx son esfuerzos principales, por lo tanto ambos criterios tanto el de Tresca con el de Von Mises deben conducir a la misma expresión
x
P Y m
Sustituyendo en la ecuación general y llamando (cotg)= B d x B x
Y
(1 B)
2
dD D
Integrando B x
Y
(1 B ) CD 2 B
donde C es la constante de integración
Trabajo Redundante Es posible considerar el efecto del trabajo redundante a través de la definición del factor de trabajo redundante el cual esta definido como
f ( , r )
*
Una forma analítica de calcular en factor de trabajo redundante es a través del concepto de la geometría de la zona deformada
r
1 1 r 12
Siendo su relación con 0.8
4.4
2
Deformación máxima por pase de trefilacion Basta con igualar los valores de esfuerzos obtenidos a través de la curva plástica del material por ejemplo la ley de Hollomon con el valor del esfuerzo de trefilacion obtenido a través de la expresión de trabajo para establecer cual es el valor máximo de deformación admitido por pasada Por ejemplo para un material que cumpla con la ley de endurecimiento por deformación de Hollomon seria
MAX
1 n
Efectos metalúrgicos de conformado
Efectos metalúrgicos de conformado
Efectos metalúrgicos de conformado FIBRADO MECÁNICO: defecto característico de los procesos de deformación plástica
que ocurre como
consecuencia del alargamiento de las inclusiones u otras segundas fases en las direcciones principales de conformado anisotropía en las propiedades mecánicas del producto final.
Conformado de chapa
Corte
Doblado
Embutición
Estampación
Operaciones en frío Operación más sencilla de conformado de chapa La conformabilidad de una chapa en operaciones de doblado se especifica en términos del menor radio que se puede conseguir sin que se rompa la chapa (generalmente se expresa en multiplos de su espesor (2t, 4t…) La mayor conformabilidad se obtiene siempre cuando se dobla la chapa en su direccion transversal (línea de doblado perpendicular
Conformado de chapa Embutición
Por expansión
-Ductilidad -Coeficiente de endurecimiento por deformación ‘n’
Por compresión
Conformado de chapa La capacidad de un material para ser embutido viene dada por el coeficiente límite de embutición del material LDR (Limt Drawing Ratio). (Depende de acuerdo RP y Rd y de la lubricación utilizada) LDR = (D0)max / Dp ;
Rp Rd
REEMBUTICIÓN
LDR max ~ 2
Conformado de chapa Mejorar la embutibilidad controlar la textura (orientación cristalográfica preferente de sus granos individuales) determinación del coeficiente de anisotropía ‘r’ (mediante un ensayo de tracción)
r = ε2 / ε3 = ε2 / -(ε1+ ε2) r = (r 0º + 2r 45º + r 90º) Interesan valores de r altos, a ser posible mayores que 2
