Teo r ía d el pro ce so d e embutido (co n form ad o d e lám in a) Por: M.I. Alfonso Antonio Avalos Morín
Índice
1.1 Generalidades……………………..………………………………………………1 1.1.1 Clasificación general de los procesos de manufactura……………..1 1.1.2 Clasificación de los procesos de conformado de metales………….3 1.2 Descripción del proceso de embutido…………………………………….…….5 1.2.1 Esfuerzo en el proceso de embutido…………………………….……8 1.2.2 Clasificación del proceso de embutido…………………………..……9 1.2.3 Defectos frecuentes en piezas embutidas…….……………………10 1.3 Herramental y equipo para el proceso de embutido…………………………13 1.3.1 Tipos de prensas……………………………………………..……….14 1.3.1.1 Fuerza y velocidad de embutido…………………………..14 1.3.2 Tipo de troqueles……………………..…………………………….…16 1.3.2.1 Claro entre el punzón y la matriz…….…………………….17 1.3.2.2 Radios para matriz y punzón….……………………………18 1.4 Formabilidad en el proceso de embutido……………………………….…….21 1.4.1 Factibilidad en el proceso de embutido………………………...…...22 1.4.1.1 Calculo de silueta o blanco…………….…………..……..22 1.4.1.2 Diámetro equivalente……………..………………….…….24 1.4.1.3 Capacidad de embutido………………………….…………25 1.4.2 Expresiones para el cálculo de la altura permisible de embutido..26 1.4.2.1 Expresión según Lange……………………………….……28 1.4.2.2 Expresión de Smith y Bakerjian……………………..…….29
1.4.2.3 Expresión de SME…………………………………..………30 1.4.3 Pruebas de formabilidad………………………………..….…………31 1.4.3.1 Curva esfuerzo-deformación real…………………..….….32 1.4.3.2 Anisotropía plástica……………………………..………..…33 1.4.3.3 Prueba de Olsen o Erichsen…….………………………….35 1.4.3.4 Prueba Swift de acopado…………………………..……….36 1.4.3.5 Diagrama de conformado límite …………………………...37 1.5 Caracterización de las láminas aceros inoxidables de utilizadas en el proceso de embutido…………………………………………………………..……38 1.5.1 Proceso de producción de láminas de acero inoxidable………....39 1.5.1.1 Laminación en frio………………………………………….39 1.5.2 Clasificación de los aceros inoxidables………………………….…40 1.6 Tribología en el proceso de embutido……………………………………..…..46 1.6.1 Fricción y Lubricación en el proceso de embutido……………….46 1.6.1.1 Zonas de lubricación……………………………………….47 1.6.2 Clasificación de los lubricantes para el proceso de embutido…49 1.6.2.1 Métodos de aplicación……………………………………..49 1.7 Método de los elementos finitos……………………………………….………50
Referencias bibliográficas…………………………..……………………….………52
Índice de Tablas
Tabla 1.1.- Clasificación general de los procesos de manufactura………………2 Tabla 1.2.- Tabla comparativa de defectos en el proceso de embutido……….10 Tabla 1.3.- Datos para la determinación de la presión en el planchador según el tipo de material de trabajo………………………………………………….……….15 Tabla 1.4.- Tabla de velocidades nominales para prensas…………………..….16 Tabla 1.5.- Datos para la determinación del coeficiente K de acuerdo al tipo de material…………………………………………………………………………….….18 Tabla 1.6.- Datos para la obtención de los radios del punzón de acuerdo al espesor de lámina……………………………………………………………………19 Tabla 1.7.- Fórmulas para la determinación del blanco………………………….23 Tabla 1.8.- Parámetros geométricos……………...………………………..……..30 Tabla 1.9.- Pruebas para medir el grado de formabilidad en los procesos de conformado de lámina metálica………………………………………………….…31 Tabla 1.10.- Clasificación de los aceros inoxidables……………………………..40 Tabla 1.11.- Lubricantes adecuados para diferentes tipos de material de trabajo en el proceso de embutido………………………………………………………….50
Índice de Figuras
Figura 1.1.- Diagrama del sistema de procesamiento de materiales……..……..1 Figura 1.2.- Cuerpo moviéndose de un punto A hacia un punto B………..……..3 Figura 1.3.- Analogías del a) proceso con desprendimiento de material y b) conformado Forzado………………………………………………………………..…3 Figura 1.4.- Diagrama de
la clasificación general de los procesos de
conformado metálico, sobre la base de seis sistemas de esfuerzo…………..….5 Figura 1.5.- Proceso esquematizado del conformado de una copa cilíndrica mediante embutido…………………………………………………………..………..6 Figura 1.6.- Componentes básicos en el proceso del proceso de embutido…...6 Figura 1.7.- Proceso de embutido de piezas cilíndricas…………………………..7 Figura 1.8.- Esfuerzos en una copa cilíndrica en A de compresión y tención, en B de tensión………………………………………………………………………..…..8 Figura 1.9.- Esfuerzos que actúan en un pequeño elemento del componente en embutición………………………………………………………………………………8 Figura 1.10.- Cambio de espesor en componente embutido……………………..9 Figura 1.11.- Prensa hidráulica de 600 toneladas……………………….……….14 Figura 1.12.- Características que influyen en la formabilidad de un proceso de conformado de metales…………………………………………………………..….21 Figura 1.13.- Blanco circular y blanco rectangular…………………………….…24 Figura 1.14.- Parámetros geométricos para el blanco a) y la copa cilíndrica b)……………………………………………………………………………………….27 Figura 1.15.- Comparativa de curva ingenieril contra curva real …………….….32 Figura 1.16.- Grafica de esfuerzo real contra deformación real …………..…....33
Figura 1.17.- Probeta para ensayos de tracción en especímenes de lámina…34 Figura 1.18.- Dirección de las probetas……………………………………….…35 Figura 1.19.- Esquema de la prueba de Erichsen………………………….…….36 Figura 1.20.- Esquema de la prueba de Swift de acopado……………….……..37 Figura 1.21.- Diagrama de formado límite…………………………………..…….38 Figura 1.22.- Película protectora en el acero inoxidable. ………………….……39 Figura 1.23.- Metalografía de acero martensítico…………………………….…..41 Figura 1.24.- Familia de los ac eros inoxidables martensíticos…………….……42 Figura 1.25.- Familia de los aceros inoxidables ferríticos. …………………...…43 Figura 1.26.- Metalografía de acero ferrítico…………………………………..….43 Figura 1.27.- Familia de los aceros inoxidables austeníticos………………….44 Figura 1.28.- Metalografía de acero austenítico…………………………………44 Figura 1.29.- Estructuras cristalinas cúbica centrada en el cuerpo, cúbica centrada en las caras y tetragonal centrada en el cuerpo (de izquierda a derecha)……………………………………………………………………………….45 Figura 1.30.- Diagrama de Schaeffler……………………………………………...45 Figura 1.31.- Sistema tribológico en el embutido…………………………………46 Figura 1.32.- Zonas de lubricación…………………………………………………48
1.1 Generalidades Los procesos de manufactura, en su sentido más amplio, se definen como la transformación de materias primas en productos terminados, mediante la aplicación de técnicas que cubren las expectativas de calidad del producto. Durante el desarrollo de un proceso de manufactura se involucra la combinación de maquinaria, herramental, energía y trabajo manual. El siguiente diagrama ilustra un proceso de manufactura desde el punto de vista técnico [1, 2].
ia r a in u q a M
t n e m a rr e H
ía g r e n E
jo a b ra T
l a u n a M
Producto Proceso de Manufactura
Materia Prima
Deshechos y Desperdicios
Figura 1.1.- Diagrama del sistema de procesamiento de materiales.
1.1.1 Clasificación general de los procesos de manufactura La clasificación de los procesos de manufactura puede estar fundamentada en diversos criterios. La siguiente tabla esquematiza la clasificación de los procesos de manufactura por categorías [3].
1
Tabla 1.1.- Clasificación general de los procesos de manufactura.
Categoría
Categoría
Proceso Torneado Fresado
Conformación por Desprendimiento
Maquinado
de Material
Taladrado Cepillado Aserrado Mandrinado Brochado Embutido
Procesos de Manufactura
Conformación Conformación
plástica
Forzada
Forjado Extrusión Trefilado
Conformación térmica Dureza Complementarios
Laminado
Fundición Soldadura Tratamientos Térmicos
Acabado
Superficies
Ensamble
Armado
La primera categoría de clasificación está relacionada con la integridad del material debido a la pérdida de masa o conformación debido a la deformación. Se presentan así, dos grandes grupos; conformación por desprendimiento de material
y conformación plástica. Los procesos complementarios se
consideran como una clasificación paralela definida como criterios de utilidad. La segunda categoría involucra la naturaleza de las fuerzas externas que actúan durante la transformación del material base; teniendo el maquinado, conformación plástica y conformación térmica como subclasificaciones.
2
De acuerdo a los criterios anteriores, para la segunda categoría de clasificación, se pueden obtener
las siguientes analogías. En donde la
separación de una sección de un cuerpo, de un punto
hacia el punto , es
análoga al proceso por desprendimiento o remoción de material. El desplazamiento de un cuerpo de una posición
hacia una posición es
análogo a un proceso de conformado. Para ambos casos una fuerza debe ser aplicada, que permita el movimiento [4].
Figura 1.2.- Cuerpo moviéndose de un punto A hacia un punto B.
Figura 1.3.- Analogías del a) proceso con desprendimiento dematerial y b) conformado Forzado.
1.1.1 Clasificación de los procesos de conformado de metales El proceso de conformado de metales, se define como una operación en la que el cambio de la forma de la pieza de trabajo, se ejecuta sin remoción de material, como el principal método para alterar su forma. La deformación plástica y conservación de volumen son las principales característica de los procesos de conformado de metales.
3
Entre los diferentes puntos propuestos para la clasificación de los procesos de conformado de metales se encuentran los siguientes criterios [5,6]:
1.
De acuerdo con el tipo de pieza de trabajo: a) Procesos de
conformado de
bloques.
El material está
inicialmente en forma semiterminada, lingote; la pieza de trabajo tiene una relación superficie / volumen pequeña. El conformado genera grandes cambios en la forma y sección transversal. La recuperación elástica es normalmente despreciada. b) Procesamiento en láminas. La pieza de trabajo tiene una relación de superficie / volumen alta. El conformado produce grandes cambios en la forma pero pequeños cambios de espesor. La recuperación elástica es usualmente significativa.
2.
De acuerdo al efecto de deformación y temperatura en las propiedades mecánicas: a) Trabajo en caliente. No hay endurecimiento por deformación, el rango para la temperatura para la deformación es
, donde es la temperatura de fusión,
la temperatura
en que se conforma la pieza. b) Trabajo
a
temperatura
intermedia.
Se
presenta
cierto
endurecimiento por deformación y puede ocurrir endurecimiento por precipitación, el rango para temperatura de deformación es
c) Trabajo en frio. Ocurre endurecimiento por deformación y se presenta cuando la temperatura es menor
3.
.
De acuerdo al modo de deformación: a) Estado permanente. Conformación continua, por ejemplo la fabricación de alambre.
4
b) Estado no permanente. Alternativa o por ciclos, por ejemplo el troquelado en varias fases. c) Mixta o transitorio. Por ejemplo la extrusión.
4.
De acuerdo con el sistema de esfuerzos impuestos durante el trabajo en la pieza: a) Tensión. Estirado, estampado y expandido. b) Tensión combinada con compresión. c) Flexión. Doblado recto y doblado curvo. d) Corte. Punzonado. e) Torcido.
Conformado
Compresión
Tensión
-Acuñamiento
-Expandido
-Forja
-Curvado
TensiónCompresión -Trefilado
Flexión
Corte
-Doblado
-Punzonado
Torsión
-Embutido
-Extrusión
Figura 1.4.- Diagrama de la clasificación general de los procesos de conformado metálico, sobre la base de seis sistemas de esfuerzo.
1.2 Descripción del proceso de embutido
El proceso de embutido es una técnica que permite obtener piezas en tres dimensiones a partir de láminas metálicas. En general, el embutido es utilizado para generar componentes cóncavos y acopados [2,7]. 5
Figura 1.5.- Proceso esquematizado del conformado de una copa cilíndrica mediante embutido.
Una lámina se sujeta entre una placa de presión y la cara superior de una matriz, posteriormente un punzón con holgura entre sus flancos empuja el material por la matriz, alargándolo y deformándolo para obtener la pieza deseada.
Figura 1.6.- Componentes básicos en el proceso del proceso de embutido. 6
El proceso de embutido de láminas metálicas se denota de acuerdo a los siguientes pasos [8]:
sobre la matriz.
1.
Se coloca un disco de lámina
2.
Desciende el sujetador y el punzón de embutir. El sujetador entra antes en contacto con el disco de lámina y lo toma ejerciendo presión sobre su contorno exterior.
3.
establece contacto con la lámina y, presionando, embute a través de la abertura de la matriz , con lo que el material del disco fluye encima de la arista y el diámetro exterior de dicho disco disminuye hasta alcanzar el valor . Material queda entre la matriz y el El punzón
sujetador, denominándose ceja o reborde. Este disminuye de diámetro a medida que el punzón continúa introduciéndose, desapareciendo finalmente cuando se ha embutido totalmente la pieza. Si se desea que quede reborde, ha de limitarse la profundidad del embutido. 4.
Una vez se ha conseguido la forma deseada, habiendo el punzón alcanzado su posición más baja, este y el sujetador vuelven a subir.
Figura 1.7.- Proceso de embutido de piezas cilíndricas.
7
1.2.1 Esfuerzo en el proceso de embutido El análisis del esfuerzo en el embutido profundo es un tema difícil. La figura (1.7.) ilustra los esfuerzos de deformación al embutir una copa cilíndrica y la figura (1.8.) muestra los esfuerzos que actúan sobre un pequeño elemento del material dentro de una pestaña. Es evidente que el elemento tendera a aumentar en espesor a medida que se embute la pared de la copa. La figura (1.9.) muestra los cambios de espesor ocasionados en el proceso de embutido. La fuerza en el punzón se limita a la carga tensil máxima que puede soportar la pared de la copa, y esto pone un límite a la profundidad de la pestaña que se puede embutir.
Figura 1.8.- Esfuerzos en una copa cilíndrica en A de compresión y tención, en B de tensión.
Figura 1.9.- Esfuerzos que actúan en un pequeño elemento del componente en embutición.
8
Figura 1.10.- Cambio de espesor en componente embutido.
1.2.2 Clasificación del proceso de embutido El proceso de embutido se puede clasificar de acuerdo a los criterios que se muestran a continuación [9,10]. 1.
De acuerdo a la geometría de la pieza: a) Embutido cilíndrico b) Embutido rectangular c) Embutido de formas no regulares
2.
De acuerdo a la longitud de copa: a) Embutido poco profundo. Generalmente el
embutido poco
profundo se refiere al formado de una copa con una profundidad no mayor a la mitad de su diámetro, con poca reducción del espesor del metal. b) Embutido profundo. En el embutido profundo, la altura de la copa es mayor que la mitad de su diámetro y la reducción del espesor del metal, aunque no necesariamente intencional, es mayor que en el embutido poco profundo. El adelgazamiento de la pared es más pronunciado en las partes formadas de acero inoxidable que
3.
aquellas fabricadas en acero de bajo carbón. De acuerdo a las etapas del proceso: a) Conformado de una sola etapa. En general cuando tratándose de piezas grandes, el conformado en una sola etapa puede lograrse cuando la profundidad es menor o igual a un tercio del diámetro de la pieza. 9
b) Conformado en varias etapas. Por ejemplo embutido en un paso y reembutido.
1.2.3 Defectos frecuentes en piezas embutidas El embutido es el proceso más complejo en comparación con el resto de los procesos de conformado por deformación plástica. La siguiente tabla muestra los diferentes defectos que pueden presentarse en componentes embutidos [11].
Tabla 1.2.- Tabla comparativa de defectos en el proceso de embutido. Tipo de falla
Figura representativa
Reborde con arrugas
Pared con arrugas
Arrugas en superficies curvas
10
Delineación de anillos
Delineación de líneas
Superficies escamadas
Fracturas
Fondos fracturados
Esquinas con fracturas
11
Figuras con pliegues
En los casos (5), (9) Y (10) los defectos son causados por el herramental de trabajo. El caso d) es generado por el régimen de rozamiento. Para el resto de los casos (1), (2), (3), (6), (7), (8), (11) y (12) por las propiedades mecánicas y metalúrgicas del material. Entre los defectos más comunes se encuentran [2]:
Reborde con arrugas. Consiste en una serie de pliegues en forma radial en el reborde de la pieza de trabajo; debido a la compresión existente durante el proceso.
Pared con arrugas. Son pliegues que se presentan en las paredes de la pieza de trabajo.
Rasgado. Son desgarres en la pared vertical, usualmente, cerca de la base de la pieza. Estos se presentan por altos esfuerzos de tensión que causan un adelgazamiento crítico del metal en esta localización. Este tipo de fallas pueden ocurrir cuando el metal es jalado sobre una esquina afilada.
Figuras con pliegues u orejas. Es la formación de irregularidades en la parte superior de la pieza. son debidas a la anisotropía de la lámina metálica. Si el material es perfectamente isotrópico, las orejas no aparecen.
Rasguños. Se presentan rasguños en la superficie debido a la ineficiencia del lubricante y punzón o matriz no lisos.
12
1.3 Herramental y equipo para el proceso de embutido En el proceso de embutido se involucran tres elementos para realizar la operación: La prensa, el herramental o troquel y el material a procesar. La prensa proporciona el trabajo para realizar la operación y el troquel la configuración de la herramental para dar la forma geométrica requerida [12].
1.3.1 Tipos de prensas Para realizar el trabajo se utiliza una prensa, la cual se define como la máquina que realiza la transformación a través del empleo de dos o más partes de herramientas, aplicando una fuerza de elevada intensidad al material para procesar, el cual está colocado entre dichas herramientas. La prensa está diseñada de tal manera que la fuerza aplicada al material para procesar el material se soporte por la propia máquina. Las prensas se clasifican de acuerdo a varios factores [14]:
La fuente de fuerza motriz. Es decir, de donde toma la prensa la energía para realizar la transformación. Existe entonces la prensa mecánica, que toma la energía de inercia de un volante giratorio. La prensa hidráulica que toma la energía a partir de la presión del aceite. Y la prensa servo que utiliza un servomotor como fuente de movimiento. De entre estas, la prensa mecánica es la más común. En segundo lugar, la prensa hidráulica usada mayormente para procesos de embutido.
El tipo de mecanismo motriz. Para transmitir la energía y transformar el material se emplean varios mecanismos como: eje cigüeñal, mecanismo sin cigüeñal, de eslabón, de articulación, de fricción y de tornillo.
La forma de su bastidor. Esta clasificación se basa en la forma del bastidor de la prensa. En general hay dos tipos: El tipo C y la prensa vertical, también conocida como prensa de lados rectos.
13
Figura 1.11.- Prensa hidráulica de 600 toneladas.
1.3.1.1 Fuerza y velocidad de embutido Para obtener la geometría deseada, el material necesita deformarse plásticamente. La fuerza requerida para embutir un recipiente redondo puede calcularse mediante la siguiente expresión emperica [9]:
………………………………………………………………(1.1) es la fuerza requerida , el diámetro del recipiente , es el diámetro de la silueta circular, el espesor de la lámina, la resistencia última del material y una constante que involucra fuerzas por fricción y flexión que varía de a . Donde
Es necesario adicionar la fuerza del planchador o sujetador que normalmente es
la siguiente tabla puede servir para cuantificar dicha fuerza.
14
Tabla 1.3.- Datos para la determinación de la presión en el planchador según el tipo de material de trabajo.
Metales
Presión del planchador
Acero al bajo carbono
0.16
Acero inoxidable austenítico
0.32
Aluminio Aleaciones de aluminio
0.032 0.064 a 0.16
Cobre
0.064
Latón
0.08 a 0.096
Bronce fosforado
0.128
Si la forma del recipiente es rectangular, la fuerza para embutición puede ser calculada de acuerdo a la siguiente relación empírica:
……………………………………………………….. (1.2) En donde de los parámetros ya enunciados se tiene:
es el radio de la esquina del recipiente la suma de las longitudes de las paredes o perímetros y constantes
(para embutido poco profundo) a (para una profundidad de 5 a 6 veces el radio de la esquina). Los valores de varían de para radio de embocadura amplio y fuerza nula del planchador, (para un radio amplio y una fuerza de planchador de , a un máximo de (para una lámina o varía de
chapa fuertemente prensada).
La velocidad de prensa se expresa normalmente en
, las prensas
hidráulicas mantienen una velocidad constante durante la carrera de trabajo, en 15
el caso de las prensas mecánicas se considera la velocidad a la mitad de trabajo. La velocidad de embutido es de mayor importancia cuando se trabaja aceros inoxidables y aleaciones resistentes que en el caso de metales ductiles y blandos. La siguiente tabla muestra algunas velocidades nominales para algunos metales.
Tabla 1.4.- Tabla de velocidades nominales para prensas. Velocidad Metal
Prensa de simple acción
Prensa de doble acción
53
30
--
9 a 12
Acero
--
18
Latón
45
30
Cobre
16
10 a 15
Acero inoxidable
--
6a9
Zinc
45
12
Aluminio Aluminio de alta resistencia
1.3.2 Tipo de troqueles Usualmente se clasifican de la siguiente manera [9]: a) Troqueles de simple acción. Es el tipo más sencillo y están constituidos por punzón y matriz. En la superficie de la matriz se maquina un escalón para localizar y posicionar el disco o silueta de trabajo. La pieza embutida es empujada a través de la matriz, el borde del recipiente se expande ligeramente haciendo posible la extracción. Este tipo de troquel solo es recomendable cuando la profundidad de embutido, espesor de la lámina y tipo de material permitan prescindir del sujetador o planchador. b) Troqueles de doble acción. Además de punzón y matriz cuentan con un extractor o almohadilla de presión, lo que permite efectuar embutidos 16
más profundos y la formación de cejas y bordes. El planchador se monta mediante resortes al carro de la prensa. La almohadilla de presión se usa para contener firmemente la pieza contra el dado durante la operación y para botar el recipiente de la matriz. Si no hay disponible una almohadilla de presión se pueden utilizar resortes, aire o cilindros hidráulicos, aunque son menos efectivos que el cojín de presión, especialmente en embutidos profundos. c) Troqueles progresivos. Su alto costo inicial y la longitud de la mesa necesaria para alojar el troquel limitan usualmente su aplicación a piezas medianas y pequeñas. La decisión para diseñar y fabricar un troquel progresivo está basada, generalmente, en el número de partes por producir y en la demanda del producto. d) Troqueles progresivos con sistema de transferencia. Pueden sustituir, en ocasiones, a los troqueles progresivos, para alta producción de piezas grandes. Una de las principales ventajas de un troquel con sistema de transferencia en posición al troquel progresivo, es que la pieza no necesita permanecer unida al esqueleto de una tira progresiva, lo que permite recortar la lámina o disco srcinal e introducirlo a l troquel de embutido.
1.3.2.1 Claro entre el punzón y la matriz La holgura o claro
entre el punzón y la matriz son gobernados por el espesor
y tipo de material de la lámina que se esté utilizando. Para una lámina delgada el punzón debe tener una embestida de deslizamiento cerrada para prevenir rasgaduras. Este claro puede ser entre 7% y 20% mayor que el espesor
que
la placa lo recomendado es [14]:
…………………………………………………………………………… (1.3)
17
Sin embargo, otros autores proponen:
..........................................................................................................(1.4) √…………………………………………………………………...…… (1.5) Donde
es una constante y se puede obtener de la siguiente tabla.
Tabla 1.5.- Datos para la determinación del coeficiente K de acuerdo al tipo de material.
Material
Acero
Aleaciones
Aluminio
de alta
Metales no ferrosos
Temp.
[√ ]
0.07
0.2
0.02
0.04
1.3.2.2 Radios para matriz y punzón El radio del punzón puede ser de tres a cinco veces el espesor de la lámina. Un radio muy grande puede producir arrugas en la pieza final y un radio muy pequeño puede generar rasgaduras o cortes. En la siguiente tabla se muestran los radios para el punzón propuestos de acuerdo al espesor de la lámina [14].
18
Tabla 1.6.- Datos para la obtención de los radios del punzón de acuerdo al espesor de lámina. Radios del punzón para varios espesores de lamina Espesor de lámina
]
Radio mínimo
[
Radio máximo
0.381 a 0.508
3,9624
6,35
0.5334 a 0.762
4,7498
7,1374
0.7874 a 1.016
4,7498
7,9248
1.0414 a 1.27
4,7498
8,7122
1.2954 a 1.5748
6,35
9,525
1.6002 a 2.3622
7,9248
11,0998
2.3876 a 3.175
8,7376
11,8872
La siguiente expresión es útil para calcular el radio del punzón
:
………………………………………………………………….(1.6) Para el caso de estampado de piezas rectangulares o con esquinas en su geometría, se debe considerar el radio de en las esquinas se utiliza un radio de entre
, por lo general
a de la profundidad. Se ha observado que
las piezas cuadradas alcanzan mayores profundidades que las piezas rectangulares. Para el caso de las matrices, las orillas deben de tener un radio aceptable para que el material resbale y se introduzca en la cavidad sin dificultad. Autores proponen la siguiente expresión:
19
√……………………………………...…….. (1.7) √ √……………………………………………. (1.8) √
Y para las esquinas de la matriz
:
……………………...…………………………………………………. (1.9)
20
1.4 Formabilidad en el proceso de embutido La formabilidad de una lámina se puede definir como como el grado de deformación que puede ser alcanzado en un proceso de conformado metálico sin
desear
condiciones
indeseables,
tales
como
grietas,
acabados
superficiales ásperos, arrugas, entre otros. La formabilidad es una situación compleja, ya que intervienen diferentes factores en el proceso de conformado; el material de la lámina, el proceso en sí, la forma y el acabado final deseado [15].
Propiedades mecánicas
Material
Propiedades metalúrgicas
Propiedades químicas
Estado de esfuerzo
Estado de deformación
Proceso
Temperatura
Formabilidad Configuración
Lubricación
Desgarramiento Localización de la deformación Forma y acabado
Arrugamiento
Acabado superficial Recuperación elástica
Figura 1.12.- Características que influyen en la formabilidad de un proceso de conformado de metales. 21
1.4.1 Factibilidad en el proceso de embutido En cuanto al material, sus características influyen profundamente. Para la óptima formabilidad el material debe de tener las siguientes las siguientes cualidades [15]:
Que distribuya la deformación uniforme.
Que alcance altos niveles de deformación sin estricción o fractura.
Que sea capaz de soportar esfuerzos planos sin que se arrugue.
Que soporte esfuerzos cortantes sin fractura.
Que mantenga la forma geometría al retirarse el punzón.
Que mantenga una superficie suave y resista daños en la superficie.
Las propiedades mecánicas que influyen de manera significativa en el conformado de lámina es el exponente de endurecimiento por deformación o exponente de endurecimiento por trabajo, la razón de sensibilidad y la razón de anisotropía plástica. En cuanto a las propiedades metalográficas se encuentran el tamaño, forma y orientación de grano. También, influyen factores como el estado de esfuerzo y deformación seguidas durante el conformado, el uso de agentes externos como lubricantes para favorecer el flujo del material y disminuir la temperatura.
1.4.1.1 Calculo de silueta o blanco Una de las actividades más importantes que anteceden al proceso de embutido es la determinación de la forma y dimensiones de la silueta o blanco, con el propósito de minimizar el material a utilizar. El método usual para el cálculo de desarrollo para piezas circulares consiste en igualar la superficie del disco a la superficie de la pieza embutida. No existen métodos analíticos disponibles para determinar el desarrollo de las piezas con forma geométrica irregular. El procedimiento para obtener los desarrollos en estos casos es el siguiente: 1. Determinar la superficie del modelo mediante un planteamiento. 22
2. Trazar una plantilla utilizando métodos geométricos. La superficie deberá ser un poco mayor que la obtenida en el primer paso. 3. Someter a embutido el blanco obtenido. 4. Tomando como referencia la configuración de la plantilla trazada, observar donde sobra o falta material. La siguiente tabla presenta algunas formulas para determinar el diámetro de la silueta o plantilla.
Tabla 1.7.- Fórmulas para la determinación del blanco. Diámetro del disco (d)
Forma del recipiente
23
1.4.1.2 Diámetro equivalente El análisis del proceso de embutido se ha enfocado principalmente al estudio de partes de forma circular, las cuales por su simetría facilitaron el desarrollo de fórmulas matemáticas, métodos experimentales y numéricos. Por otra parte el embutido de partes no circulares, dentro de las cuales se encuentra la forma rectangular representa un mayor grado de dificultas para establecer analíticamente o experimentalmente los parámetros adecuados del proceso. Las limitaciones para el cálculo de parámetros del proceso pueden superarse empleando la teoría clásica desarrollada para las formas circulares utilizando el concepto de diámetro equivalente. Para obtener el un diámetro equivalente se propone comparar el área de un circulo con el área de la pieza en bruto necesaria para completar la forma irregular. Se iguala el área de un círculo el área
, con el área de la lámina rectangular [16].
y
Figura 1.13.- Blanco circular y blanco rectangular. 24
Dónde:
………………………………………………………………………….. (1.10) …………………………………………………………………………... (1.11) Igualando ambas áreas
y despejando se obtiene:
………………………………………………………………………... (1.12) Para blancos o siluetas con
se reduce de la siguiente manera
√………………………………………………………………………….... (1.13)
1.4.1.3 Capacidad de embutido La capacidad de embutido se valora, en general, con la relación límite de embutido. Esta relación
es una medida de severidad del proceso y está dada
por [17]:
……………………………………………………………….…………….. (1.14) Donde D es el diámetro del disco de lámina y
el diámetro del punzón para
embutido de formas circulares. 25
Para componentes cuadrados o rectangulares se aplica el concepto de diámetro equivalente. De tal manera que:
………………………………………………………………….…………. (1.15) Las copas tienden a fallar a la rotura debido a desgarramiento de la pared cercana al fondo, cuando la relación
es mayor a 2. Cabe señalar que la
carga de embutido aumenta en una relación lineal con respecto a
[7, 13’,14’].
…………………………………………………………….. (1.16) Resolviendo las ecuaciones (1.16) y (1.12)
se puede obtener obtiene :
…………………………………………………………...……… (1.17) 1.4.2 Expresiones para el cálculo de la altura permisible de embutido La altura admisible, para el embutido de formas circulares, antes de la falla por fractura sugerida por Lange se puede obtener mediante la siguiente expresión [18,19]:
……………………………………………………………………. (1.18)
26
Ahora, sustituyendo (1.12) y (1.17) en (1.18)
…………….…………………………….. (1.19)
Figura 1.14.- Parámetros geométricos para el blanco a) y la copa cilíndrica b).
El volumen de una copa cilíndrica equivalente
puede ser calculada como:
……………………….………………………… (1.20) es el espesor de la copa cilíndrica equivalente. Por otro lado, el volumen de una copa rectangular puede ser obtenido por medio de: Donde
[ ( )] ………………….. (1.21) 27
es la altura permisible para copas de geometría rectangular, y el espesor de la lámina y el radio del punzón. Donde
son la longitud y el ancho de la copa rectangular, respectivamente.
Teniendo en cuenta el principio de conservación de volumen para los procesos de conformado de metales, se puede decir que el volumen del material de la copa cilíndrica equivalente que el volumen del material de la copa rectangular. Es difícil predecir la cantidad de adelgazamiento, Sin embargo, el adelgazamiento ocurre tanto como en partes cilíndricas y partes rectangulares.
y no son constantes pero equivalentes y pueden considerarse iguales. Con este análisis puede ser De tal manera, se puede considerar que
calculada resolviendo las ecuaciones (1.20) y (1.21), que llevan a la siguiente expresión:
……………………………..………………… ( (1.22) )
Sustituyendo (1.17) y (1.19) en la ecuación (1.22), se obtiene:
[]………………………………………………………...…. (1.23)
La expresión anterior puede ser utilizada para calcular la altura permisible de partes embutidas rectangularmente de acero. Es importante mencionar que dicha expresión solo es válida cuando se satisface
y
.
1.4.2.1 Expresión según Lange Es posible aplicar las reglas para componentes embutidos con forma circular y con forma no circular; esto remplazando las áreas del punzón y el la silueta por 28
círculos de igual tamaño y calculando sus respectivos diámetros equivalentes
y [18]. ……………………………………………………………...………….. (1.24) ………………………………...……………………………………… (1.25) Donde y son el área inferior de la copa y el área del blanco silueta, respectivamente. De modo que:
………………………………………….……………………………….. (1.26) ………………………………………………………………………….. (1.27) Las ecuaciones (1.26) y (1.27) son sustituidas en (1.18) para obtener:
√ …………………………………………………………………… (1.28) 1.4.2.2 Expresión de Smith y Bakerjian Se propone la siguiente expresión para calcular la altura permisible para embutido profundo rectangular [20]:
……………………………………….…………………………… (1.29) 29
Dicha expresión solo considera el radio del punzón y la altura máxima que es seis veces el radio del punzón.
Tabla 1.8.- Parámetros geométricos. Parámetro
Descripción
Largo Ancho Altura Largo de pestaña Ancho de pestaña Radio del punzón Radio del fondo de la copa Radio de la pestaña Espesor de la lámina
1.4.2.3 Expresión de SME La sociedad de ingenieros en manufactura (SME por sus siglas en inglés) propone la siguiente expresión para estimar la altura admisible de embutido para partes con geometría rectangular [21]:
………………………………………………………………… (1.30)
√
30
1.4.3 Pruebas de formabilidad Existen diversos métodos para determinar la formabilidad del material, la selección correcta del método depende del tipo de proceso de conformado que será realizado. La siguiente tabla muestra las pruebas algunas de las pruebas utilizadas para medir la formabilidad en los procesos de conformado de lámina metálica [14].
Tabla 1.9.- Pruebas para medir el grado de formabilidad en los procesos de conformado de lámina metálica.
Formado de láminas
Formado de volumen
Pruebas de tensión
Prueba de equidistancia
Prueba de Olsen o Erichsen
Prueba de torsión
Prueba Swift de acopado
Prueba de deformación plana
Prueba de domo hemisférico Prueba de abultamiento hidráulico Prueba de doblado Diagrama de conformado limite
1.4.3.1 Curva esfuerzo-deformación real La curva de esfuerzo-deformación ingenieril resulta inadecuada para los procesos de conformado plástico. El esfuerzo está basado en la sección transversal inicial, en lugar de la sección transversal instantánea. El análisis y estudio de los procesos de conformado está basado en esfuerzos reales. El esfuerzo real se denota de la siguiente manera:
…………………………………………………………………………...… (1.31) 31
Donde
es la sección transversal instantánea y es la carga. Considerando se tiene que el esfuerzo real
que el volumen se mantiene constante también se puede denotar como:
…………………………………………………..……………………….. (1.32)
Figura 1.15.- Comparativa de curva ingenieril contra curva real.
La deformación real está definida como:
∫ ……………………….………………………………………. (1.33)
32
Si se grafica el esfuerzo real contra la deformación real se obtiene una curva como la que se muestra en la siguiente figura. Es posible definir la curva por medio de la siguiente expresión:
……...……………………………………………………………………(1.34)
Figura 1.16.- Grafica de esfuerzo real contra deformación real.
1.4.3.2 Anisotropía plástica Se denomina material isotrópico a aquel que presenta las mismas propiedades en cualquier dirección. Cuando las propiedades del material varían según en la dirección en que se ensaya el mismo se dice que el material es anisotrópico. Desde el punto de vista microestructural, la anisotropía en metales se produce por la forma y orientación preferente de los granos, así como la orientación de las correspondientes estructura cristalinas. La extensión y magnitud de los efectos anisotripicos en materiales cristalinos son función de la simetría de la estructura cristalina [22].
33
Para la cuantificación del fenómeno se emplea típicamente el coeficiente de Lankford el cual se obtiene de la razón entre las deformaciones en el ancho y en el espesor de una probeta. El coeficiente de anisotropía se escribe como [14]:
……………………………………..……………………………. (1.35)
y son el ancho actual y srcinal de la probeta, respectivamente. La longitud inicial representada por y la longitud final . El procedimiento Donde
normalizado para la obtención del coeficiente de Lankford se encuentra normalizado.
Figura 1.17.- Probeta para ensayos de tracción en especímenes de lámina.
Dado que el índice informa la anisotropía del material el procedimiento estandarizado aconseja realizar la determinación del índice sobre probetas cortada a
, y con respecto a la dirección de laminación de la lámina
metálica. Así, se obtiene el valor de definido por la ecuación:
en cada caso y un valor promedio de ̅
̅ ………………………………………………………………….(1.36 ) 34
Siendo
, y los parámetros de , y , respectivamente.
Lankford asociados a las
orientaciones
Figura 1.18.- Dirección de las probetas.
1.4.3.3 Prueba de Olsen o Erichsen En el sistema ingles se le conoce como prueba Olsen de acuerdo a la norma estandarizada.En el sistema internacional como prueba Erichsen. Es una prueba de formado por estiramiento biaxial; este método se emplea para conocer la capacidad que tiene una lámina para ser sometida a embutido profundo [14]. En el procedimiento un espécimen es sujeto fuertemente por todos sus lados y estirado por una esfera metálica. La profundidad alcanzada antes que la lámina se desgarre, es una medida de capacidad de embutición. El valor reportado es la razón entre la profundidad alcanzada y el diámetro de la lámina, a este valor se le denomina como índice de Erichsen
.
Con el valor reportado, es posible obtener propiedades mecánicas como la elongación promedio de la fractura mediante la siguiente relación:
̅
y la razón anisotropica plástica
̅
̅ ̅………………….. (1.37) 35
Figura 1.19.- Esquema de la prueba de Erichsen.
1.4.3.4 Prueba Swift de acopado La prueba de Swift de acopado consiste en formar una copa con embutido profundo, y es utilizada para determinar la razón de límite estampado y la reducción. Esta prueba sigue los lineamientos según el Grupo internacional de investigación de embutido profundo (IDDRG según sus siglas en inglés) [14]. La prueba se realiza con un punzón cilíndrico de fondo plano; se utilizan matrices de varias dimensiones que se seleccionan de acuerdo al espesor de la lámina a analizar. Una lámina en forma circular es cortada a un diámetro más pequeño que el esperado en la razón límite de estampado
. Se
suministra lubricación por medio de dos discos aceitados con polietileno, uno cada lado de la lámina. La lámina es embutida con carga máxima de embutido, la cual ocurre antes de que la copa sea completada totalmente. Sucesivamente laminas más grandes son embutidas hasta que alguna se fracture antes de ser embutida totalmente. El valor reportado para
es la razón entre el diámetro de
la lámina más grande y el diámetro del punzón.
36
Figura 1.20.- Esquema de la prueba de Swift de acopado.
, es posible obtener propiedades mecánicas como la elongación promedio de la fractura ̅ y la razón anisotropica plástica ̅ Con el valor reportado
mediante la siguiente relación:
̅ ̅………………………………...………………. (1.38) También es posible obtener información adicional tal como a la tendencia al formado de orejas
, evaluada con la siguiente expresión:
…………………………………………………...………… (1.39) 1.4.3.5 Diagrama de conformado límite El diagrama de conformado limite (FLD por sus siglas en inglés), describe el comportamiento biaxial que tienen las láminas debido a la anisotropía en sus 37
propiedades mecánicas. Es uno de los primeros criterios de seguridad para las operaciones de embutido. Cualquier tipo de material, ya sea acero, latón, aluminio,
etc.,
presenta
en
algún
momento
de
su
conformado
un
adelgazamiento, estricción y posteriormente una fractura, estos estados son plasmados en un diagrama donde se muestran las regiones de seguridad dentro de las cuales una lámina puede conformarse sin que se rasgue [14].
Figura 1.21.- Diagrama de formado límite.
1.5 Caracterización de las láminas aceros inoxidables de utilizadas en el proceso de embutido Los aceros inoxidables son aleaciones de Hierro y Cromo que contiene un mínimo de 10.5% de Cromo. El Cromo suele unirse con el oxígeno para
formar una delgada película transparente de óxido de cromo sobre la superficie del acero y excluye la oxidación adicional del acero inoxidable. En caso de ocurrir daño mecánico o químico, esta película es auto-reparable en presencia
38
de oxígeno. El acero inoxidable es esencialmente acero de bajo carbono, el cual contiene un mínimo de aproximadamente 10% de Cromo en peso [23].
Figura 1.22.- Película protectora en el acero inoxidable.
1.5.1 Proceso de producción de láminas de acero inoxidable El proceso de fabricación inicia con la fusión de hierro, chatarra y ferroaleaciones de acuerdo al grado de acero inoxidable a preparar; continua con la refinación del acero para eliminar impurezas y reducir el contenido de carbono; posteriormente el acero líquido se cuela en continuo, se corta en planchones y se forman los rollos rolados en caliente. El proceso termina con el molino de laminación en frio, recocido y limpieza.
1.5.1.1 Laminación en frio Los rollos de acero inoxidable rolados en caliente se usan como materia prima para el proceso de laminación en frio. Este proceso consta de cuatro etapas: Recocido y decapado de la materia prima, molinos de laminación en frio, línea de recocido y limpieza final, y por último la estación de acabado superficial. El molino de laminación en frio reduce el espesor sin calentamiento precio de la lámina que se adelgaza. Después del molino el material debe ser recocido ya que el trabajo en frio durante el rolado causa endurecimiento. Este proceso consiste en la aplicación de calor a las bobinas de acero inoxidable durante un 39
tiempo específico hasta que se logra el calentamiento uniforme a una determinada temperatura, donde la estructura cristalina regresa a su forma natural, previa al rolado en frio. Después del recocido, las bobinas de acero inoxidable pasan a la etapa de limpieza que usualmente consiste en una serie de baños electrolíticos y de mezcla de ácidos; posteriormente los rollos están listos para su acabado final, el cual puede ser opaco, brillante, pulido con abrasivos, o bien con una textura impresa [24].
1.5.2 Clasificación de los aceros inoxidables El acero inoxidable puede ser clasificado en cinco diferentes familias; cuatro de éstas corresponden a las particulares estructuras cristalinas formadas en la aleación: austenita, ferrita, martensita, y dúplex mientras que la quinta familia son las aleaciones endurecidas por precipitación. La siguiente tabla muestra la clasificación [24]:
Tabla 1.10.- Clasificación de los aceros inoxidables. Clase I Martensíticos II Ferríticos III Austeníticos
Clasificación AISI
Serie 400 Serie 200 y 300
IV Dúplex V Endurecibles por precipitación
Ejemplos de especificaciones 410, 420, 431 409, 430, 434 304, 304L, 321, 316 229, 2205
Denominación comercial
17-4 PH, 15-15 PH, 17-7 PH, 15-7 MO
40
I.
Aceros inoxidables martensíticos: Son la primera rama de aceros inoxidables simplemente al cromo. Fueron los primeros que se desarrollaron industrialmente y representan una porción de la serie 400 AISI.
Su principal característica es la habilidad para aumentar su
resistencia mecánica y dureza mediante tratamiento térmico. La configuración metalográfica martensítica posee estructura cristalina tetragonal centrada en el cuerpo.
Figura 1.23.- Metalografía de acero martensítico.
41
410 Uso general
440 C
403 414 Adición de Ni para mejorar la resistencia a la corrosión.
Calidad seleccionada para turbinas y partes sometidas a grandes
Incremento 420 Incremento de C para mejorar las propiedades mecánicas.
416 Incremento de P y S para mejorar maquinabilidad.
esfuerzos.
de C para durezas más altas. Incremento de Cr para mayor resistencia a la corrosión.
422 Resistencia
416 Se
440 B
mecánica y
Adición de Se
Decremento
tenacidad hasta
para mejorar el
ligero de C
650OC mediante
maquinado
para mejorar
la adicción de
de superficies.
la tenacidad.
Mo, V y W.
440 A Menor contenido de C que el 440 B, para mejorar la tenacidad.
Figura 1.24.- Familia de los aceros inoxidables martensíticos.
II.
Aceros inoxidables ferríticos: Estos aceros de la serie 400 AISI mantienen su estructura ferrítica estable desde la temperatura ambiente hasta el punto de fusión. Son endurecidos moderadamente por trabajo en frio; no pueden ser endurecidos por tratamiento térmico. Su configuración metalográfica es ferrítica con la estructura cristalina cubica centrada en el cuerpo.
42
430 Uso general
405 434
Bajo contenido 442
429
de Cr, adición
430F
Incremento
Ligeramente
de Al para
Adición de P y S
de Cr para
menor contenido
prevenir el
para mejorar la
mejorar la
de Cr para
endurecimiento
maquinabilidad.
resistencia a la
mejorar la
cuendo se
escamación.
soldabilidad.
enfría desde
Adición de Mo para mejorar la resistencia a la corrosión en molduras de autos.
temperaturas elevadas.
436 Adición de 430F Se
Mo, Nb y Ta
Adición de Se
para mayor
para mejorar el
resistencia
maquinado.
al calor y a la corrosión.
Figura 1.25.- Familia de los aceros inoxidables ferríticos.
Figura 1.26.- Metalografía de acero ferrítico.
III.
Aceros inoxidables austeníticos: Los aceros inoxidables austeniticos constituyen la familia con el mayor número de aleaciones disponibles, integra las series 200 y 300 AISI. Sus principales características son su excelente formabilidad y superior resistencia a la corrosión. Tienen una configuración metalográfica austenítica y su estructura cristalina es cubica centrada en las caras.
43
302 uso general 302B Adición de Si para aumentar la resistencia a escamación.
317
308
Adición de
Alto Cr y Ni,
305
301
Mo y Cr
usado
Incremento
Bajo contenido
para
primordialmente
de Ni para disminuir
de Cr y Ni para
como
endurecimiento
aumentar dureza por
resistencia
material de
portrabajo en
trabajo en
a la
aporte para
frío.
frío.
corrosión.
soldadura.
mejorar la
Figura 1.27.- Familia de los aceros inoxidables austeníticos.
Figura 1.28.- Metalografía de acero austenítico.
IV.
Aceros inoxidables dúplex: Son de reciente desarrollo; son aleaciones Cromo-niquel-molibdeno
que
forman
una
mezcla
de
cantidades
aproximadamente iguales a austenita y ferrita. Presentan dos fases de dispersión de austenita cubica centrada en las caras en una matriz de ferrita cubica centrada en el cuerpo. V.
Aceros
inoxidables
endurecibles
por
precipitación:
estos aceros
inoxidables ofrecen una alternativa a los aceros inoxidables austeníticos
44
cuando se desea asociar elevadas características mecánicas y de maquinabilidad.
Figura 1.29.- Estructuras cristalinas cúbica centrada en el cuerpo, cúbica centrada en las caras y tetragonal centrada en el cuerpo (de izquierda a derecha).
Figura 1.30.- Diagrama de Schaeffler.
45
1.6 Tribología en el proceso de embutido El éxito de la mayoría de operaciones depende del conocimiento del control y conocimiento del desgaste de la herramienta, y de la fricción entre el material que se deforma y las superficies activas de la herramienta. La fricción y el desgaste se combaten mediante el uso de lubricantes durante la operación.
1.6.1 Fricción y Lubricación en el proceso de embutido En la mayoría de los procesos de conformado de metales, la baja fricción es beneficiosa atendiendo a que reduce la presión en la zona de contacto, la fuerza, los requerimientos de energía y la generación de calor; sin embargo, es necesario que existan fuerzas de rozamiento que controlen el movimiento del material . La fuerza de rozamiento en la zona de contacto podrá ser fácilmente cambiada por la lubricación y los cambios en la rugosidad superficial tanto de la pieza como de la herramienta.
En la siguiente figura se representan los
diferentes parámetros que tienen influencia en el sistema tribológico que se pone de manifiesto durante la operación de la embutición [25].
Figura 1.31.- Sistema tribológico en el embutido.
46
El flujo del material hacia el interior de la matriz es controlado por la fricción, lo mismo que las fuerzas sobre la superficie del sujetador o pisador. Durante el desarrollo de la embutición, la interacción de diferentes mecanismos hacen complejo el establecimiento de algunos parámetros. Sin embargo, se recomienda considerar la fricción como la variable de salida de un sistema controlado por el mecanismo de lubricación que lo opera. Esta variable no podrá ser independiente, sino una función de muchas variables tales como, rugosidad, tipo de lubricante, superficie química, velocidad de deslizamiento relativo, y presiones del conformado. Las características de la zona de contacto dependerán de las propiedades que aporten cada uno de sus componentes:
Una herramienta dura, rígida y suficientemente lisa.
Una lámina metálica rugosa y suave, la cual no solamente se deforma en la dirección normal, también en la dirección tangencial.
Un aceite que contiene los aditivos necesarios para servir de lubricante en la interface de contacto entre la herramienta y la pieza.
En la zona de contacto entre la matriz y la pieza a conformar, surgirán entonces las fuerzas tangenciales, en algunos casos de corte, y que se oponen al movimiento relativo de las dos superficies, es por ello que la magnitud de la fricción puede ser descrita por el promedio de la resistencia al cizallamiento en la referida zona de contacto.
1.6.1.1 Zonas de lubricación Las zonas de lubricación el proceso de embutido se localizan en las áreas de contacto Matriz-lámina-sujetador, radio matriz-lámina, borde del punzón-lámina, punta del punzón-lámina . Otros autores consideran la adición de nuevas zonas como el radio del punzón-lámina [8, 25]. En la siguiente figura se ilustran las condiciones de lubricación.
47
Figura 1.32.- Zonas de lubricación.
Las primeras áreas que estarán lubricadas son la región de punta del punzón
, la zona de contacto entre la pared y del punzón/lámina y , la zona radio de la matriz- lámina y la zona de la lámina-matriz y sujetador-lámina . En la zona
se formara una película comprimida de lubricante tras el impacto
del punzón, y a la vez la lámina metálica envuelve los radios del punzón, zona
. Las zonas y alojan el resto del lubricante que ha sido desplazado a las zonas y . A medida que transcurre el embutido, el espacio comprendido entre las zonas y varia su posición con respecto a la lámina y el punzón. La zona más crítica está en la matriz, y es particularmente crucial en las operaciones de embutición, es el radio zona
; es precisamente este lugar
donde se fuerza a la lámina, previamente deformada, a deslizarse sobre el radio, con una velocidad de deslizamiento igual a la velocidad de embutido, trayendo consigo la falla de la película de lubricante y subsiguiente la transferencia de metal y microsoldadura. En la zona
, las presiones nominales son más bajas, pero la deformación es
compleja: un deslizamiento radial acompañado de una presión circunferencial pueden conducir al engrosamiento de las paredes del recipiente que se embute y al daño de la superficie de la matriz. 48
1.6.2 Clasificación de los lubricantes para el proceso de embutido Los lubricantes que se ofrecen hoy en día pueden clasificarse en dos grupos: los que pueden emulsionarse y los que no pueden emulsionarse, procediendo la mayoría de aceites minerales. Cada uno de estos grupos pueden dividirse en tres subgrupos [8]: lubricantes para embutir a base de aceites minerales; lubricantes formados a base de grasa y aceites animales o vegetales, la mayoría de los cuales están total o parcialmente saponificados; y por último, los lubricantes de srcen totalmente sintético, como, por ejemplo, los barnices y las láminas u hojas para embutición.
1.6.2.1 Métodos de aplicación Los métodos utilizados para impregnar el lubricante son [26]:
Aplicación de nieblas.
Aplicación por medio de rodillos impregnaste.
Aplicación por inmersión de la silueta.
Aplicación con brochas o mechas.
Otros procedimientos inherentes en la lubricación son:
Fosfatado. Es un proceso químico con el cual se deposita una película química de fosfatos sobre la superficie de la pieza.
Se utiliza
generalmente en embutidos difíciles y profundos para mejorar la adherencia del lubricante usado.
Mordentado. Procedimiento químico que consiste en eliminar la cascarilla srcinal de los materiales laminados en caliente.
Aplicación o uso de películas plásticas. Material plástico que protege la pieza durante la manipulación y el proceso. Pueden utilizarse dos tipos de películas: polivinílicos y polietílenicos. Los primeros, al tener un límite de rotura superior parecen más apropiados, si bien los polietílenicos son de más fácil aplicación por el usuario. Debe de tenerse en cuenta que cuando se utiliza plástico en la embutición, estos solo sirven para una sola operación. 49
Tabla 1.11.- Lubricantes adecuados para diferentes tipos de material de trabajo en el proceso de embutido.
Lubricantes Acero con un Hierro dulce
Material
maleable, acero de bajo Carbono.
contenido
Acero
medio de Carbono,
inoxidable, aleaciones
aceros de baja
Níquel.
Cobre, Aleaciones de aluminio.
aleaciones maleables de cobre.
aleación.
Esfuerzo
Aceites
Aceites
minerales
Aceites minerales
minerales
grasos y
viscosos,
Aceites grasos,
Ligero
clorurados,
jabones
aceites
hasta
jabones
sebosos,
cloroparafinados
medio
hidrosolubles y
jabones
.
emulsiones.
hidrosolubles y
grasos, soluciones de jabón grasas, emulsiones de
emulsiones.
cloroparafina
Aceites
Jabones para
Aceites
minerales
embutición de
grasos,
Medio
Aceites para
viscosos,
alta aleación
aceites
Jabón,
hasta
embutición
aceites
cloroparafinados
supergrasos
grasa,
alto
cloroparafinados.
supergrasos y
, grafito y hojas
laminas y
sebo.
jabones
moldeadas para
aceite de
grafitados.
extracción.
polietileno.
1.7 Método de los elementos finitos Es un método de análisis ingenieril para simular el comportamiento de las piezas mecánicas, estructuras, transferencia de calor, fluidos, fatiga, etc. El método parte del conocimiento de la solución de comportamiento para figuras de forma sencilla y conocida (Triángulos, cuadriláteros, cubos, etc.) que se ensamblan para formar la geometría de un objeto en estudio, previamente discretizando en un numero finito de elementos pequeños de solución 50
conocida. El ensamble de elementos conduce a un sistema de ecuaciones lineales, con tantas incógnitas como grados de libertad tenga el modelo. La solución conduce a los valores de desplazamientos, esfuerzos, temperaturas, etc. en los nodos de los elementos. Los elementos utilizados en la discretización se les denomina “elementos finitos” y a los puntos de unión de los elementos se les denomina “nodos” , todos los modelos de solución conocida para los elementos finitos están dados en términos de valores en nodos. El método está probado desde 1960, y sigue en investigación para un amplio número de problemas en la ingeniería.
51
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