tema+proc_def_plastica_fabric_aero_2015_16

Fabricación Aeroespacial UPV

Procesos de conformado por deformación

plástica


Introducción: Comportamiento en deformación

plástica

Base del conformado por deformación:

cuando el esfuerzo aplicado a un material es lo

suficientemente grande, el material fluye, empieza a

deformarse plásticamente, manteniendo su deformación

después que deje de actuar el esfuerzo, por tanto, empieza

exactamente donde termina la elasticidad, con esfuerzos

que provocan deformación plástica.

ELASTICIDAD

(Temporal)

PLASTICIDAD

(Permanente)

Tensión de fluencia del material



plástica

Tensión de fluencia

Ensayo de tracción Secuencia de deformación

Sigue aumentando la carga.......

1. Comportamiento elástico lineal

- alargamiento proporcional a la carga

- si se retira la carga, vuelve a su

longitud inicial (deformación temporal)

2. Deformación permanente (plástica)

- tensiones y deformaciones no

proporcionales

- Tensión a la cual ocurre ese

fenómeno: TENSIÓN DE FLUENCIA del

material “Y”



plástica

Ensayo de tracción Secuencia de deformación

Sigue aumentando la carga.......

4. Tensión de fractura o colapso

del material

• 3. Tensión alcanza un máximo (M)


•Deformaciones logarítmicas son aditivas en procesos de secuencia, las

lineales no. En compresión: por convenio signos, deformación > 0

Reducción de área o sección “r”

00

0 1A

A

A

AAr r

A

A1

0

rA

A

l

A

lA

l

l

1

1lnlnlnln 0

0

00

0

Tensión nominal: S = F/A0

Tensión real: = F/A

Deformación lineal: e = (l-l0)/l0

Deformación natural o logarítmica :

d = dl/l = ln (l/l0) = ln (A0/A)

Ensayo de tracción


plástica


• En un metal sometido a tensiones superiores a su tensión crítica, se

producen dislocaciones en los cristales y tiene lugar la deformación plástica

• Diversas orientaciones de los granos

• No todos los granos en posición favorable para inicio dislocación,

produciéndose sólo en algunos y alcanzando un grado de deformación

A mayor deformación, mayor fuerza para seguir deformando:

- el material se ha endurecido, tras la deformación: ACRITUD

- las dislocaciones no pueden seguir avanzando:

producir dislocaciones en granos no orientados favorablemente

o han llegado al límite de grano

• Este fenómeno, NO es cierto para todas las temperaturas, solo en frío.

Efecto de la temperatura: Conformado en FRÍO y en CALIENTE


plástica



plástica

A mayor temperatura en el metal:

- crece la energía de vibración de los átomos individuales

- menor tensión crítica de cizallamiento de los cristales

- los límites de los granos se vuelven más débiles

dos factores dependientes de la temperatura:

disminución de la resistencia de los cristales o granos y de sus bordes




plástica

Área de Ingeniería de los Procesos de Fabricación

Temperatura trabajo < Tª equicohesión

deformación en el interior de los cristales:

transcristalina

se origina ACRITUD: endurecimiento por

deformación

Conformado en frío

Temperatura trabajo > Tª equicohesión

deformación en los bordes: intergranular

NO acritud

mantener temperatura el tiempo suficiente

para la completa recristalización

Conformado en caliente




plástica

Efectos del conformado en frío:

- Deforma las piezas mecanizadas

- Acentúa defectos superficiales

- Rebaja la resistencia a fatiga

- Favorece la corrosión

- Aumento de dureza y fragilidad

Efectos del conformado en caliente:

- Grano fino, materiales blandos y dúctiles

- Ausencia de tensiones residuales

- Mayor resistencia mecánica

- Superficies más oxidadas



plástica

Criterios de Fluencia

si el metal ha sido deformado previamente un cantidad 0, se

produce la fluencia si como consecuencia del esfuerzo aplicado se

alcanza la tensión ( f)0 ,la correspondiente a esa deformación en el

gráfico tensión real - deformación logarítmica

En tracción uniaxial o compresión

necesidad de establecer una norma que indique las combinaciones

de tensiones, que producirán la fluencia del material

Proceso de deformación industrial : estado multiaxial de

tensiones

Criterios de Fluencia: Tresca, Von Misses



plástica

Pasos para resolver un problema industrial de deformación

- Conocer curva tensión - deformación del material

- Criterio de fluencia para determinar el estado de tensiones necesario

- Esfuerzos necesarios para ese estado de tensiones

¿cálculo?

Métodos para determinar los esfuerzos

- Deformación homogénea (ideal)

- Considerando rozamientos

- Considerando el trabajo adicional para la distorsión interna


Herramienta: Punzón + Matriz

Clasificación de los Procesos de Deformación

Procesos de deformación volumétrica

Deformaciones significativas y cambios de forma

Relación entre área superficial y volumen de trabajo pequeña

Forja

Laminación

Extrusión

Estirado y Trefilado

Procesos de deformación y corte de láminas

Relación entre área superficial y volumen de trabajo alta. Trabajo en frío.

Con separación de material: corte, punzonado

Sin separación de material: doblado, embutido

Herramienta: Matriz


Clasificación según el esfuerzo aplicado y el movimiento del material


Forja

Proceso de compresión usualmente en caliente, con grandes presiones para realizar piezas acabadas o preformas.

Presión: por impacto (martinete)

forma gradual o continua (prensa)

Efectos de la forja:

- Elimina defectos internos (cavidades, poros…)

- Afina el grano, mejor disposición de las fibras

Puros: Al, Cu, Fe, Ti, Zn

Aleaciones de acero, de aluminio, de magnesio y de cobre

Materiales forjables:

Tolerancias usuales: desde IT 13 hasta IT 16


Forja

Rebaba

Forja libre: piezas únicas, grandes, o series pequeñas

Forja con estampa: preforma

En matriz abierta:

En matriz cerrada:


Recalcado

Acumulación de material en una zona del producto por compresión axial

Forja

Cabezas de tornillo, pernos, clavijas, esferas...

Ejemplo biela forjada


Forja

Cálculo de las fuerzas de forjado

• Con estampa abierta (sobre pieza sólida cilíndrica)

)3

1(4

2

h

DDKF

K Tensión de fluencia

Coeficiente de fricción

D Diámetro de la pieza forjada

h Altura de la pieza forjada

• Con estampa cerrada

SKF f Tensión de fluencia del material

S Superficie proyectada de la zona forjada

(incluyendo rebaba)

K Factor multiplicador obtenido experimentalmente

Formas Valores de K

Sencillas sin rebaba 3-5

Sencillas con rebaba 5-8

Complejas con rebaba 8-12


Otras Operaciones de Forjado: Estirado de barras

Forja

Estampas de una de las etapas de forjado de un cigüeñal


Laminación

Colada continua

o lingotes

Proceso de compresión que reduce el espesor (o modifica la sección transversal) de una pieza mediante un juego de rodillos

En frío o en caliente, Precisión IT 8 - IT 14

Materiales laminables: aceros, aluminio, cobre, magnesio, plomo, estaño, cinc y sus aleaciones


Laminación

• Laminado plano, para la obtención de

chapas, hasta 0.008 mm de espesor

(papel Aluminio), gran productividad

Laminador elemental

Tren de laminación: agrupación de varios laminadores, de modo que el material a

laminar pasa sucesivamente por cada una, hasta completar el ciclo de transformación

Carga de laminación (sin rozamiento)

WhhRSASFf)(

0

Tensión media en deformación plana

A Área sobre la que se aplica la carga

R Radio rodillo

Espesor inicial y final

W Ancho de la chapa

S

fhh ,0


Laminación

• Laminado de forma, para la obtención de barras de sección cuadrada,

redonda… , vigas, raíles y roscas

Perfil estructural de sección H Etapas de laminación

para la fabricación de

perfil estructural


Laminación

• Laminado de roscas Se puede realizar con rodillos o con peines de roscas con la

forma del perfil de la rosca.

Se suele realizar en frío sobre piezas cilíndricas o cónicas, sin

desprendimiento de material y aumentando su resistencia.


Extrusión

Proceso de compresión, mediante el cual el lingote es forzado a pasar por una matriz para producir un perfil macizo o hueco

• En frío o en caliente

• Lubricación con grafito, vidrio fundido

• Se puede obtener casi cualquier perfil transversal, pieza semiacabada

• Precisión alcanzable: IT 9 a IT 12, algunos casos IT 6 - IT 8

• Grandes reducciones de sección, aleaciones más duras hasta 20:1 con aluminio se puede llegar a 100:1

• Prensas hidráulicas de extrusión con una fuerza desde 2000 Ton hasta 20.000 Ton

Materiales : Estaño, Zinc, Cobre, Latones, Aluminio y sus aleaciones, Aceros al carbono y aleados


Extrusión

Tipos de extrusión:

• Directa

El material fluye en igual dirección y sentido que el émbolo


Extrusión

• Mixta

el material fluye simultáneamente en y contra el sentido de movimiento del émbolo, genera rebordes

• Indirecta/invertida

El material fluye en sentido opuesto al émbolo


Extrusión

Clasificación según la velocidad:

- Extrusión por impacto: rápida, tubos con paredes finas

- Extrusión lenta: piezas con protuberancias laterales


Matriz 1

Matriz 2

Matriz 3

Pieza 1

Pieza 2

Pieza 3

Matriz 1

Matriz 2

Matriz 3

Pieza 1

Pieza 2

Pieza 3

Matriz 1

Matriz 2

Matriz 3

Pieza 1

Pieza 2

Pieza 3

Salida Entrada

Ejemplos de matrices de extrusión con machos

Piezas:


f

nA

ALkAF 0

0

Fuerza de extrusión en caliente

A0 : Área transversal del lingote bruto

Af : Área transversal del producto final

k : Constante de extrusión dependiente del material y su temperatura

Temperatura (ºC)

Extrusión



A = Bloque de acero

B = Núcleo de metal duro inserto en A

C = Sección de entrada con el lubrificante

D = Cono de trefilado donde se produce la deformación

E F = Cilindro de calibración

F

Proceso de tracción, que reduce la sección transversal de una barra/alambre al estirar del material a través de una matriz

Estirado: pequeñas reducciones de sección, mejora calidad superficial

Trefilado: Grandes reducciones de sección, en varias pasadas

Materiales: Aceros, latones, cobre, aluminio, manganeso y sus aleaciones.

Piezas típicas: varillas, alambres, cables, muelles…



Tren de trefilado

Matriz/Hilera

Operaciones

- Decapado: limpieza de escamas y óxido, por ataque químico

- Estirado/Trefilado: con lubrificantes de parafina o grafito

- Acabado: enderezamiento y recocido de afino de grano o de eliminación de tensiones

Hasta 90% de reducción de sección en pasadas sucesivas, en alambres


F

Yr

YA

AY

A

AY

ff

d1

1lnlnln 00

11

1lnln 0

rA

A

f

rA

A

f1

1

1

0

max

rA

A

A

A

A

AAr

D

D

A

AR

ff

1

1

0

00

0

2

00

63.01

7183.20

R

Rr

RA

A

m áx

f


Máxima reducción de sección en una pasada 63%

Fuerza de estirado r

AF1

1ln

11


Conformado de chapa con separación de material

Corte de chapas, flejes o pletinas

Cizallas rotativas

Guillotina


Punzonado

Parámetros del proceso

- Forma y material del punzón y matriz

- Velocidad de punzonado

- Lubricación

- Holgura/juego entre punzón y matriz

(aumenta con e)

-Es necesario sujetachapas/ pisón

TepF

p = perímetro del corte

e = espesor chapa

t = Carga de rotura por cortadura

siendo T = 3/4 a 4/5 de r

r = Carga de rotura por tracción

Se aplica coef. de rozamiento entre 1.1 y 1.2

Fuerza de punzonado



Punzonado con punzón recto →


Punzonado con punzón inclinado↓


Punzonado con matriz progresiva

Para piezas que requieren operaciones múltiples (punzonado, estampado, doblado, muescas…)

Entra una banda de chapa y progresivamente los punzones van punzonando o doblando la pieza por etapas, el último punzón separa la pieza del retal. Todos los punzones bajan a al vez.



Punzonado con matriz progresiva


Ejemplo de punzonado con Matriz Progresiva de la pieza de la figura:


Doblado Fibras internas en compresión: acortamiento

Fibras externas en tracción: alargamiento

• Resistencia del material doblado en su punto más débil es menor que original

• Recuperación elástica, el ángulo de doblado es mayor que el del punzón

• La longitud de la pieza resulta modificada como consecuencia de la deformación.

• Pueden aparecer grietas

• Existe un radio mínimo de doblado en función del espesor y material (tabulado)

Fibra neutra (mantiene cte. la

longitud inicial)

Determinación de la fibra neutra mediante probetas:

Conformado de chapa sin separación de material


Doblado



Doblado X Espesor chapa e

e2

1 e 2

e7

3 2 < e < 4

e3

1 e > 4

Valores prácticos de posición de la fibra neutra

r

L

eaF 5.2

3

22 r = Coeficiente rotura por

tracción del material

Fuerza doblado (sin incluir la fricción)



Consideraciones de diseño para doblado de chapa

Radio mínimo de curvatura • Evitar el doblado sin radio interior (arista viva), reduce el espesor. Para evitar

grietas, trabajar con un radio mínimo de curvatura que depende de la ductilidad del material y del espesor. R= K·e (K tabulado en función del material)

• Si aparecen grietas en el doblado:

– Incrementar el radio

– Realizar acabado con abrasivos

– Recocer el material

– Seleccionar material más dúctil

• Las piezas con varias dobleces deben diseñarse con el mismo radio para reducir

costes y preparación del utillaje

• Todo doblado cercano a un borde deformará este, se debe proveer exceso de

material que luego se eliminará

• No situar agujeros cerca del doblado.

Doblado


Consideraciones de diseño para doblado de chapa

Recuperación elástica

Debido a la elasticidad del material, recupera, y el ángulo de la estampa deberá ser menor que el de la pieza.

Depende de: tipo de material, espesor material y radio curvatura

Doblado


Curvado/Redondeado

• Es un doblado progresivo de la chapa en sentido axial

• En general es necesario hacer un trabajo de estampado previo en los bordes de las entradas con el fin de que estas tengan la curvatura precisa

• Para curvar grandes tanques de almacenamiento, recipientes a presión, tubos...



Rebordonado

Doblado continuo a lo largo de los bordes

Repujado

Genera piezas de revolución huecas, a partir de chapa plana, aplastándola contra un mandril con rodillo/herramienta

(Indicado para piezas de gran diámetro donde matriz-punzón de embutición son muy costosos)



Embutición

a) se coloca el disco de chapa sobre la matriz

b) desciende el punzón y pisador

c) el punzón embute la chapa convirtiéndola en un cuerpo hueco

d) retrocede el punzón y el pisador, y el extractor saca la pieza

Conformado en el que a partir de una chapa en forma de disco, se obtiene un cuerpo hueco

a b c d




Embutición profunda:

con embuticiones sucesivas (ej. lata aluminio bebidas)


Bibliografía

•Manufacturing Engineering an Technology. Kalpakjian and Smith (Sixth Edition, 2010)

• Matrices, moldes y utillajes.

Julián Camarero, Arturo Martínez. Ed. Dossat. 2003.

tema+proc_def_plastica_fabric_aero_2015_16

Documents