3.1 Conformado de metales por deformación plástica

1MEC229 PROCESOS DE MANUFACTURA 2CONFORMADO DE METALES POR

DEFORMACIN PLSTICAOBJETIVOS DE LA UNIDAD

Relacionar la estructura de los metales con sus propie-dades mecnicas.

Identificar los principios involucrados en la deformacin plstica de los metales.

Determinar las condiciones para iniciar y producir una deformacin plstica.

Identificar los principales procesos de conformado de metales.

Calcular los requerimientos de fuerza y energa para lograr una deformacin plstica dada mediante los procesos presentados y determinar sus condiciones limitantes. 2

PRINCIPALES PROCESOS DECONFORMADO DE METALES

Procesos de deformacin volumtrica o masiva: Forjado Laminacin Trefilado Extrusin

Procesos de trabajo en fro de chapa metlica: Corte Doblado Embutido

3

CLASIFICACIN DE LOS PROCESOSDE DEFORMACIN VOLUMTRICA (1)

Propsito de la deformacin

Procesos primariosTienen como objetivo destruir la estructura de colada, suelen hacerse en caliente y a gran escala. El producto resultante est destinado al conformado o formado posterior.

Procesos secundariosToman los productos de los procesos primarios y los transforman an ms para obtener una pieza terminada o una preforma.

4

Diversos procesos de laminacin plana y de forma.Fuente: Kalpakjian

5

Cambios en la estructura granular de metales colados o de granos gruesos durante la laminacin en caliente.Fuente: Kalpakjian

6


Rgimen del proceso (Anlisis)

Procesos de rgimen estable (Steady state)Todos los elementos de la pieza son sometidos al mismo modo de deformacin.

Procesos de rgimen no estable (Non steady state)La geometra de la parte cambia continuamente. El anlisis debe ser repetido en el tiempo para los diferentes puntos.

7(a) (b)

(a) Forjado - rgimen no estable.(b) Extrusin - rgimen estable.

8


Temperatura de deformacin

Trabajo en fro (T < 0,3 Tm)

Trabajo en tibio (0,3 Tm < T < 0,5 Tm)

Trabajo en caliente (T > 0,5 Tm)

- Formado isotrmico- Formado no isotrmico

9

O O O O OO O O O OO O O O OO O O O OO O O O OO O O O OO O O O OO O O O O

DEFORMACIN PLSTICA

Proceso que produce una deformacin permanente debida al deslizamiento de un plano de tomos sobre un plano adyacente (plano de deslizamiento = slip plane). El deslizamiento es debido a la accin de un esfuerzo de corte o cizallamiento (shear stress).

O O O O OO O O O OO O O O OO O O O O

O O O O OO O O O OO O O O OO O O O O

10

RELACIONES ESFUERZO-DEFORMACIN

Se determinan en forma prctica mediante ensayos mecnicos:

Los principales son: Traccin Compresin Corte puro (torsin)

11

LO

Lf

Ensayo de traccinCurva esfuerzo-deformacin convencional o de ingeniera

Esfuerzo convencionalF

s = AO

Deformacin unitariaL (L - LO)e = = LO LO

12

Esfuerzo real axial mximo

m = esfuerzo axial medioDistribucin del esfuerzo axial

= esfuerzo real en traccin uniaxialDistribucin del esfuerzo radial y del tangencial

Distribucin de esfuerzos en la seccin de estriccin de una probeta de ensayo de traccin

13

ENSAYO DE TRACCIN

Esfuerzo convencional o de ingenieraF

s = Ao

Deformacin unitaria convencional o de ingeniera

L ( L - Lo )e = = Lo LoReduccin de seccin

A ( Ao A )r = = Ao Ao

14

Para una extensin de L a 2L la deformacin unitaria convencional ser:

(2 L L)e = = + 1L

A cunto habr que reducir una longitud L para lograr una deformacin unitaria convencional e = -1?

15

Para describir las grandes deformaciones que caracterizan a la deformacin plstica es ms conveniente emplear las siguientes definiciones:

Esfuerzo real:

F = A

Donde A es el rea real de la seccin transversal

Deformacin unitaria real, natural, o logartmica:L = ln Lo

16

Valores de las distintas definiciones de deformacin

____________________________________________P R O C E S O e r

____________________________________________

Extensin a 2L +1,0 +0,693 +0,5

Compresin a L/2 -0,5 -0,693 -1,0

Compresin a 0 -1,0 - - - -____________________________________________

17

Durante la deformacin plstica se conserva el volumen y puede entonces plantearse:

Ao Lo = A L

A partir de la condicin anterior se pueden relacionar el esfuerzo real y la deformacin real con el esfuerzo con-vencional y la deformacin convencional a travs de las siguientes expresiones:

= ln (1+ e) Groover (3.8) = s (1 + e) Groover (3.9)

18

Esfu

erzo

real

(ps

ix 1

03)

Esfu

erzo

real

MPa

Curvas esfuerzo real-deformacin real de varios metales en traccin a temperatura ambiente. Fuente: Kalpakjian

19

Y

= K nK = coeficiente de resistencia

n = exponente de endurecimiento por deformacin

0,04(Hosford & Caddell)

Para muchos materiales la relacin - puede aproximarse por la expresin

Esfuerzo de fluencia: Y = K n Groover (18.1)20

K Y TS(N/mm2) n (N/mm2) (N/mm2)

______________________________________________________

Acero 1008 600 0,25 180 320

Acero 1015 620 0,18 300 450

Acero 1045 950 0,12 410 700

Cobre (99,94%) 450 0,33 70 220

Aluminio 1100 140 0,25 35 90

______________________________________________________

Ref: Schey, Tablas 4.2 y 4.3 (pp.202 - 203)

Ver tambin Groover, Tabla 3.4 (p.45)

21

Otras relaciones esfuerzo-deformacin

Y

Rgido-perfectamente plstico(sin endurecimiento por deformacin)Se emplear para el caso de deformacin en caliente

= Y (constante)

22

Otras relaciones esfuerzo-deformacin

Y

Rgido-plstico con endurecimiento lineal

= Y + B 1B

23

Efectos del trabajo en fro de los metales

Endurecimiento por deformacin (strain hardening) Endurecimiento por trabajado (work hardening)

Ejemplo: Trefilado de alambre

24

Endurecimiento por deformacin plstica

25

Efectos del trabajo en fro de los metales

Endurecimiento por deformacinSchey, Fig 8-7 (p. 272)

26

Caractersticas del trabajo de los metales en fro

Se genera una distorsin en la estructura granular.

Se incrementa la dureza y resistencia mecnica con la consiguiente prdida de ductilidad.

Los requerimientos de fuerza y energa son altos debido al endurecimiento por deformacin (acritud).

Se obtiene mejores tolerancias dimensionales con una mayor repetibilidad.

Se produce un buen acabado superficial, siempre que la pieza detrabajo presente superficies limpias y sin escamas. (Decapado: limpieza previa).

27

Recocido

Res

iste

ncia

, duc

tilid

ad

UTS

YS

Elongacin

Trabajo previoen fro (%)

Tiempo Tiempo

Los efectos del trabajo en fro (a) se eliminan parcialmente por recuperacin (b), y la condicin original suave se restablece de manera total por medio de la recristalizacin (c).Schey, Fig. 8-8 (p. 273)

(a) (b) (c)

T < 0,3 Tm 0,3 Tm < T < 0,5 Tm T > 0,5 Tm

28

Trabajo en caliente de los metales

l l l l l l l l l

0 0,5 1,0 Tm

Res

iste

ncia

D

uctil

idad

.Bajo

.Alto

W (3400C) (3673 K)

Pb (326C) (599 K)1564C

27 C

29

Efecto de la velocidad de deformacin Tericamente, en el trabajo en caliente el material se comporta como perfectamente plstico (exponente de endurecimiento por deformacin = 0), pero se presenta el efecto de sensibilidad a la velocidad de deformacin:

Velocidad de deformacin (unitaria)t d d =&

EjemploEn el caso de deformacin uniaxial (traccin o compresin):

h v =& (8-10) Schey

(6.5) Kalpakjian(18.3) Groover

30

Efecto de la temperatura sobre el esfuerzo de fluencia

Y

&

1200C

800C

400C

Temperatura ambiente m C Y = &

1,0 velocidad de deformacin (s-1)

(8-11) Schey(2.16) Kalpakjian(18.4) Groover

31

Efecto de la temperatura en el conformado de metales

Tabla 18.1 (Groover)

Categora Rango de Coeficientetemperatura de friccin

Trabajo en fro 0,3 Tm 0,1Trabajo en tibio 0,3 Tm a 0,5 Tm 0,2

Trabajo en caliente 0,5 Tm a 0,75 Tm 0,4 - 0,5

32

Conformado isotrmico

En el conformado isotrmico las herramientas se precalientan a la misma temperatura del material de trabajo, con el fin de evitar patrones de flujo irregular en las superficies de contacto que ocasionan la formacin de esfuerzos residuales y el posible agrietamiento superficial de la pieza. El precalentamiento desgasta la herramienta y acorta su vida.

33

Caractersticas del trabajo de los metales en caliente

Se produce una rotura de los granos columnares gruesos caractersticos de la estructura de colada, obtenindose granos equiaxiales.

Las impurezas e inclusiones se distribuyen ms uniformemente en todo el material.

Se logra la mejora de algunas propiedades como la ductilidad y la resistencia al impacto, debido al refinamiento del grano.

Se requiere menos fuerza y energa para el cambio de forma debido a la menor resistencia a la fluencia por efecto de la temperatura.

Se puede lograr grandes cambios de forma y altos valores de reduccin de seccin.

Las tolerancias de fabricacin son relativamente amplias y las superficies obtenidas son rugosas.

34

COMPONENTES DE LA DEFORMACIN UNITARIA

Sea un elemento de dimensiones iniciales xo, yo, zo que se deforma uniformemente a las dimensiones finales x, y, z.

Se tendr:

x y zx = ln ; y = ln ; z = ln xo yo zo

35

CONDICIN DE CONSTANCIA DEL VOLUMEN

V = x y z = xo yo zox y z

= 1xo yo zo

tomando logaritmos:x y z

ln + ln + ln = 0xo yo zo

x + y + z = 0

36

FLUENCIA EN TRACCIN PURA

1 = Y2 = 3 = 0

Y

37

ENSAYO DE COMPRESIN

hoh

Ao A

s (F)

e (L)

Ver Groover, figura 3.8

F

F

V = Ao ho = A h

38

ENSAYO DE TORSIN (CORTE PURO)

r

L

tr2T

2= Lr =(3.16) Groover(2.21) Kalpakjian

Figura 3.12 GrooverFigura 2.19 Kalpakjian

t

(3.17) Groover(2.22) Kalpakjian

39

ENSAYO DE TORSIN (CORTE PURO)

Regin elstica: = G

k

Ver Groover, figura 3.12

El rea de la seccin transversal no vara durante el ensayo.

Se inicia la fluencia cuando

= k

Regin plstica

40

FLUENCIA EN CORTE PURO

1 = k2 = 03 = -k

k

k

-k

41

CRITEROS DE FLUENCIA

TrescaCriterio: mximo esfuerzo cortante

max - min = valor crticoTraccin pura Y - 0 = YCorte puro k - (- k) = 2 k

Ypredice k =

2

42

CRITEROS DE FLUENCIA

Von MisesCriterio: energa de distorsin

(1 - 2)2 + (2 - 3)2 + (3 - 1)2 = valor crtico Traccin pura Y2 + 0 + Y2 = 2 Y2

Corte puro k2 + k2 + 4k2 = 6 k2

predice3

Yk =

43

G. I. Taylor y H. Quinney (1931)Combined torsion and tension test on thin-walled tubes made of steel, copper and aluminum. [Fuente: Frank A. DIsa]

Comparacin de los criterios de fluencia

1 Y

4

Y

2xy

2x =

+

1 Y

3

Y

2xy

2x =

+

Von Mises

Tresca

44

Relaciones esfuerzo-deformacin

Ecuaciones de plasticidad (Flow rules / Lvy-Mises equations)

( )

+= 2133 2

1dd

( )

+= 3211 2

1dd

( )

+= 3122 2

1dd

(2.43a)

(2.43b)

(2.43c)

[Kalpakjian-Schmid]

45

Esfuerzo efectivo o equivalente

Deformacin efectiva o equivalente

Para un estado triaxial de esfuerzos la energaest dada por:

2((( 133221

222 ) +) +) =

2(((

32 133221

222 ) +) +) =

332211 ddddu + +=

46

ENERGA IDEAL DE DEFORMACIN PLSTICA

La energa ideal por unidad de volumen requerida por un proceso de deformacin plstica uniforme (homognea) puede hallarse a travs de:

= o d d uEl trabajo ideal de deformacin ser:

Wd = ud VDonde V es el volumen de material deformado

Representa el rea bajo la curva

47

Efecto de la friccin en el conformado de metales

Retarda el flujo de metal durante el proceso, ocasio-nando esfuerzos residuales y algunas veces defectos en el producto.

Se incrementan la fuerza y la potencia necesarias para la operacin.

Ocurre un rpido desgaste de las herramientas.

La friccin y el desgaste de las herramientas son ms severos en el trabajo en caliente.

48

A B

A1

AB

B1

f f

Friccin en la compresin de un cilindro

49

Friccin adherente (Sticking friction)

Ocurre cuando el esfuerzo de friccin entre las superficies excede el esfuerzo de fluencia al corte del material de trabajo. El metal se deforma en lugar de que ocurra un deslizamiento entre las superficies.

50

En el conformado de metales el esfuerzo de friccin no puede exceder el valor del esfuerzo de fluencia al corte:

friccin kcuando:

friccin < k friccin deslizante(sliding friction)

friccin = k friccin adherente(sticking friction)

51

Tratamiento de la friccin

N

F

p

fric

(a) Coeficiente de friccin F friccin = = N p

(b) Factor de friccin, m (friction factor)

friccinm =

k m = 0 para un lubricante perfectom = 1 para friccin adherente

Kalpakjian-Schmid (4.5) / Schey (8-14)

52

Deformacin no homognea

Deformacin homognea Deformacin no homognea

53

Deformacin no homognea

Cuando se comprime plsticamente un material, la no homogeneidad de la deformacin depende de la geometra de la zona de deformacin, esto es de la relacin h/L o relacin entre la altura o espesor del material y la longitud de contacto de la herramienta.

Para valores de h/L > 8,7 ambas zonas estn completamente separadas.

Para valores pequeos de la relacin h/L las fuerzas son afectadas en forma ms significativa por la friccin entre el material y la herramienta.

54

Deformacin no homogneaLa deformacin no homognea requiere una energa adicional conocida como trabajo redundante.

La inhomogeneidad de la deformacin se puede evaluar en funcin de la geometra de la zona de deformacin (deformation-zone geometry) a travs del factor :

h = L

55

= h / LPresin de fluencia en funcin de para el caso de indentacinplana sin friccin de un material perfectamente plstico.

p

Y

56

TRABAJO TOTAL DE DEFORMACIN PLSTICA

La energa requerida por un proceso real involucra dos factores adicionales:

a) la energa requerida para vencer la friccin en la entrecara herramienta - material trabajado, y

b) el trabajo de deformacin redundante o energa debida a la deformacin no homognea.

la energa especfica total ser entonces:

utotal = uideal + ufriccin + uredundante

57

TRABAJO DE DEFORMACIN PLSTICA

El trabajo total de deformacin est dado por:

WT = Wd + Wf + Wr

Donde:

Wd = trabajo ideal de deformacin plsticaWf = trabajo de friccinWr = trabajo redundante

(debido a la deformacin no homognea)

58

EFICIENCIA DE CONFORMADO

Se define eficiencia de conformado a la relacin:

Wd = WTGeneralmente se expresa en forma de porcentaje.

Valores tpicos de la eficiencia de conformado:Laminacin plana de 75% a 95%Trefilado de 50% a 75%Extrusin de 30% a 60%

59

FORJADO

Proceso de deformacin en el cual se comprime el material de trabajo entre dos dados o matrices. Puede realizarse en caliente o en fro

Aplicacin de la fuerza:por impacto: martinetesgradual: prensas de forjado

De acuerdo a la forma en que los dados restringen el flujo de metal se distinguen:

a) Forja abierta (en dado abierto)b) Forja en estampa (con dado impresor)c) Forja en matriz cerrada (sin rebaba)

60

Figure 19.19 (Groover)Drop forging hammer, fed by conveyor and heating units at the right of the scene. (Photo courtesy of Chambersburg Engineering Company)

61

Comparacin entre el desperdicio de material cuando se emplea:(a) mecanizado por arranque de viruta(b) conformado por deformacin plstica.

62

Figura 9-37 (Schey)Una secuencia tpica de forja en fro en un formador de siete estaciones, que produce conectores para manguera por extrusin hacia adelante y hacia atrs y por forja a una rapidez de 160 por minuto. (Cortesa de la NationalMachinery Co., Tiffin, Ohio)

63

Choice of blank, process, and grain structure for forged parts[Lange]

64

Estructura "fibrosa" de un primordio de engranaje de caja de cambios conformado en caliente (forjado).

[DeGarmo, Black, Kohser]

65

Grain flow lines in upsetting a solid, steel cylindrical specimen at elevated temperatures between two flat cool dies. [J. A. Schey]

66

Schematic diagram of compression in simple impressiondies without special provision for flash formation.

[Byrer]

67

The formation of flash in a conventional flash gutterin impression dies.

[Byrer]

68

Compression in a totally enclosed impression: true closed forging.

[Byrer]

69

Schematic of forming sequences in cold forging a gear blank.(a) Sheared blank. (b) Simultaneous forward rod and backward cup extrusion.(c) Forward extrusion. (d) Hollow forward extrusion. (e) Simultaneous upset of flange and coin of shoulder.

[Byrer]70

Forging sequence and forgingdie for connecting rod:

(1) Bar stock heated and tong down.

(2) Breakdown(3) Fullering and edging.(4) Blocking.(5) Finishing for trim.(6) Finished and trimmed

connecting rod.[Schaller]

71

Figure 19.29 (Groover)Trimming operation (shearing process) to remove the flash after impression-die forging.Operacin de recorte (proceso de cizallado) para eliminar la rebaba despus del forjado en estampa.

72

Forjado en dado abiertoEl caso tpico es el forjado con simetra axial. La operacin de reducir la altura de un cilindro aumentando su dimetro se conoce como recalcado (upsetting).

Al reducir un cilindro de altura inicial ho a una altura h su dimetro inicial, Do aumentar a D

La deformacin unitaria se determina por:

ho = ln (19.14)hpor constancia de volumen Ao ho = A h

73

Fuerza ideal de forjado

La fuerza de forjado vara a lo largo del proceso y su valor pude ser determinado en cada punto por.

F = Y Adonde:

Y = esfuerzo de fluencia A = rea de la seccin

En el forjado en fro tanto el esfuerzo de fluencia como el rea de la seccin aumentan continuamente durante la operacin, en consecuencia la fuerza alcanza su valor mximo al final de la carrera de forjado donde el esfuerzo de fluencia y el rea alcanzan su valor mximo.

74

Consideracin de la friccinPara tomar en cuenta el efecto de la friccin se puede emplear la expresin:

F = Kf Y A

Donde Kf es el factor multiplicador de la fuerza por efecto de la friccin.Para el caso de deformacin con simetra axial su valor puede ser determinado por la relacin:

DKf = 1 + 3 h = coeficiente de friccin entre el material y el dado

75

Forjado en calienteDeterminacin de la velocidad de deformacin unitaria de un cilindro comprimido axialmente

h v =&

dtdh

h1

hhln

dtd

dt d

o =

==&

pero velocidad de acortamiento axial

y:

vdtdh =

76

Para el forjado en caliente se requiere tambin la tasa de deformacin:

h v =&

Y el esfuerzo de fluencia en caliente se obtendr de:

C Y m= &

77

h

F

El rea bajo la curva representa la energa requerida para el forjado

Fuerza de forjado

78

Forjado con matriz de impresin

F = Kf Y A Schey (9.19)

E = Qe Y V prom Schey (9.20)Tabla 9-2 (Schey p.342)

Forma forjada Kf Qe

Sencilla, sin rebaba 3 - 5 2,0 - 2,5

Con rebaba 5 - 8 3

Compleja (costillas altas, almas delgadas), con rebaba 8 - 12 4

79

A Practical Method for Estimating Forging Loadswith the use of a Programmable Calculator

T. L. Subramanian and T. Altan

J. Applied Metal Working, Vol. 1, No 2, 1980

80

Geometra, direccin del flujo de metal y secciones transversales representativas de la biela

81

Distribucin de presin en una matriz simple de forjado en dado impresor

82

Planos y direcciones de flujo durante el forjado de dos formas simples

(a) planos de flujo(b) formas de la forja(c) direcciones de flujo

83

Batelles 500-ton mechanical forging press used for forging trials

Ref. Altan, Oh, Gegel

84

Parts that wereblocker and finishforged in forging trials

Blocker and finishforging dies as mounted on thebolster of themechanical press

Ref. Altan. Oh, Gegel

85

LAMINACIN

En la laminacin el espesor del material de trabajo se reduce por la accin dos rodillos opuestos que giran para jalar el trabajo y comprimirlo entre ellos.

Laminacin planaEl material no experimenta variacin en el ancho

Laminacin de perfilesSe emplean rodillos acanalados

Otras operaciones de laminacinLaminacin de anillosLaminacin de roscasPerforacin (para obtener tubos sin costura)

86

Diversos procesos de laminacin plana y de forma.Fuente: Kalpakjian

87

Colada continua para la fabricacin de acero

1 Cuchara2 Basculador hidrulico3 Plataforma de la cmara de

refrigeracin4 Plataforma de los rodillos de

extraccin5 Calentador6 Artesa7 Lingotera8 Plataforma de colada9 Zona de refrigeracin secundaria

10 Rodillos de extraccin11 Mquina de curvado12 Enderezador13 Soplete oxiacetilnico

88

SLAB (Planchn)Always oblongMostly 50-230 mm (2-9 in) thickMostly 610-1520 mm (24-60 in) wide

BLOOM (Tocho)Square or slightly oblongMostly in the range 150 mm 150 mm (6 in 6 in)to 300 mm 300 mm (12 in 12 in)

BILLET (Palanquilla)Mostly square Mostly in the range 50 mm 50 mm (2 in 2 in)to 125 mm 125 mm (5 in 5 in)

Fuente: Tlusty [USS]

Typical cross section and dimensional characteristics

89

Figura 19.2 (Groover) Algunos de los productos de acero obtenidos por laminacin.

90

Ver Figura 19.8 de GrooverDisposicin de los rodillos de laminacin Mannesmannpara producir tubos sin costura.

LAMINACIN - PERFORACIN

91

Figura 19.7 (Groover)Laminacin de anillos: (1) inicio, (2) proceso terminado.

1)

(2)

(1)

LAMINACIN DE ANILLOS

92

Figura 19.6 (Groover) Laminacin de roscas con dados planos:

1) inicio del ciclo 2) fin del ciclo.

LAMINACIN DE ROSCAS

93 94

Fases de la forja en fro por extrusin, encabezamiento en fro, y laminado de rosca de un perno. [De Garmo, Black, Kohser]

95

A rolling mill for hot flat rolling. The steel plate is seen as the glowing strip in lower left corner.(Photo courtesy of Bethlehem Steel)

LAMINACIN PLANA

96

Anlisis de la laminacin plana

Consideraremos el caso de una plancha de ancho b cuyo espesor se reduce de h1 a h2Reduccin de espesor (draft): h = h1 - h2Para bajas relaciones entre ancho y espesor y bajos coeficientes de friccin se puede presentar un ligero incremento en el ancho del material a la salida. Esto se conoce como ensanchamiento lateral (spreading).Las velocidades a la entrada, v1 y a la salida, v2 estn relacionadas por:

h1 b1 v1 = h2 b2 v2

97

LAMINACIN PLANA

h1

h2b

b

N

v1 v2

En la laminacin plana el ancho no varab1 = b2

98

h2h1

v2v1

N (rpm)

vN

R = radio del rodillo

vN

L

L = longitud decontacto

Laminacin planaVer figura 19.3 (Groover)

p = presin del rodillo

99

La velocidad perifrica del rodillo, vN es mayor que la velocidad de entrada, v1 y menor que la velocidad de salida, v2. El plano en que la velocidad de la plancha es igual a la velocidad del rodillo se conoce como plano neutro en la laminacin.El deslizamiento entre los rodillos y el material de trabajo puede medirse por el deslizamiento delantero (forward slip), sf dado por:

v2 - vNsf = vNtambin se define el deslizamiento posterior(backward slip), sb dado por: vN - v1sb = vN

100

Fuerza de laminacin

La fuerza de laminacin puede expresarse como:

F = p L b

donde:p = presin de laminacinL = longitud de contacto del rodillo con la plancha

(longitud proyectada del arco de contacto)b = ancho del material

hR L (9-39) Schey(6.38) Kalpakjian(19.11) Groover

101

Laminacin en fro

En la laminacin en fro el material experimenta endurecimiento por deformacin y para determinar la presin de laminacin plana p debe tomarse el valor:

p = 1,15 Ym

donde Ym es el esfuerzo medio de fluencia para la deformacin dada:

h1 = ln h2

102

Laminacin en caliente

En este caso el esfuerzo de fluencia se determina a partir de la tasa promedio de deformacin (velocidad de deformacin unitaria), dada por:

2

1hhln

Lv=&

y el esfuerzo de fluencia se obtendr de:

m C Y = &

(9-40) Schey(6.45) Kalpakjian

103

Para considerar la friccin en la laminacin plana se puede emplear la relacin:

F = 1,15 Kf Ym L b

Donde Kf es el factor multiplicador de la fuerza por efecto de la friccin para el caso de deformacin plana, dado por la expresin:

hm es el espesor medio de la zona deformada, y el coeficiente de friccin entre el rodillo y la plancha.

mf h 2

L 1 K +=

104

Potencia requerida para la laminacin

N

F L/ 2

105

Asumiendo que la fuerza se encuentra centrada en la longitud L, el momento de torsin ejercido sobre cada rodillo ser:

T = 0,5 F LLa potencia de accionamiento por rodillo est dada por

P = T Si los rodillos giran a una frecuencia rotacional N, la velocidad angular, ser:

= 2 N y la potencia de accionamiento de los dos rodillos ser:

P = 2 N F L

106

Para que la plancha pueda ser arrastrada por los rodillos se requiere que exista friccin entre ellos, debiendo cumplirse la condicin:

> tg Donde es el ngulo de contacto del rodillo.De la condicin anterior se establece un lmite para la mxima reduccin de espesor posible, hmax dada por:

hmax = 2 RDonde R es el radio del rodillo.

107

Condicin de ingreso de la plancha a los rodillos

p sen p cos

p p

p cos > p sen tg

Schey (9-38)

108

Mxima reduccin posible por consideracin de friccin

p sen p cos

p p

> tg para valores pequeos de

sen tg

R h

R h R

R L sen ===>

hmax = 2 R (9-38b) Schey(6.46) Kalpakjian(19.8) Groover

109

Cajas de laminacin (Rolling mills)

DO (Two-high)- reversible- no reversible

TRO (Three-high) CUARTO (Four-high) DE RODILLOS MLTIPLES (Cluster)

(con respaldo: 6, 12, 20 rodillos) PLANETARIO (Planetary) UNIVERSAL

(rodillos horizontales y verticales)

Mencin a los trenes de laminacin (Tandem rolling mills)110

Esquema de una caja do de laminacin

111

(A) Do no reversible (B) Do reversible (C) Tro(D) Doble do (E) De rodillos mltiples (F) Planetario

112

LAMINACIN

Laminador tro

113

LAMINACIN

Mesa oscilante

114

LAMINACIN

Laminador de lingotes y desbastes con accionamiento doble

115

LAMINACIN

Dispositivo de cambio de cilindros de un laminador cuarto

116

Trefilado / Estirado(Wire drawing / Bar drawing)

Deformacin equivalente

2o

dDln

AAln

==

Reduccin de seccin

o

o

AAAr =

117

Figura 9-38 [J.A.Schey]Los tubos sin costura se estiran: (a) por entallado, (b) con un tapn, (c) con un tapn flotante, (d) con una barra.

118

Figure 19.42 (Groover)Continuous drawing of wire.

119

Figure 19.41 (Groover)Hydraulically operated draw bench for drawing metal bars.

120

Figure 19.43 (Groover)Draw die for drawing of round rod or wire.

121

L

F

Trabajo desarrollado por la fuerza externa:We = F L (1)

Trabajo ideal de deformacin plstica:Wd = ud V = (Ym ) (L A) (2)

AoIgualando (1) y (2) : Fd = Ym ln A A

Determinacin de la fuerza ideal

Ao

A

122

FConsideracin simple de la friccin en el trefilado(Semingulo del dado = )

+= cos sen A- A p sen

sen A - A p F' oo

A)- (AFp A)- (A p F

o

dod ==

Si la friccin fuese nula, la fuerza F tomara el valor de la fuerza ideal, Fd:

+= gcot)AA(p A)- (A p 'F oo

)gcot (1 F 'F d +=reemplazando (2) en (1)

(1)

(2)

123

Influencia del ngulo del dado de trefilado en la friccin y en la deformacin no homognea

124

Anlisis de Siebel para determinar el trabajo redundante

Asumiendo el criterio de Tresca, el trabajo redundante ser: ur = (2/3) Ym , y el esfuerzo de traccin sobre la seccin de salida estar dado por:

32

AAln)gcot (1Y

AF t om

++==

R

arco de entrada arco de salida

125

La expresin de Wistreich para determinar el esfuerzo sobre la seccin de salida del alambre trefilado es:

AAln)gcot (1 Y t om +=

donde es el factor de inhomogeneidad, que para el caso de deformacin con simetra axial es:

Ld12,088,0 m+=

Schey (9-33)

Schey (9-34b)

126

Ff

F

Fd

Fr

FT

ptimo

ngulo ptimo del dado de trefilado

Potencia requerida

Potencia = F v Schey (9-36)

127

Mxima reduccin por pasada

Al aumentar la reduccin el esfuerzo a la salida del alambre tambin aumenta. Existe un lmite dado por la condicin de que el esfuerzo a la salida debe ser inferior al esfuerzo de fluencia del material reducido.Cuando el esfuerzo a la salida alcanza el lmite de fluencia del producto obtenido, ste se deforma plsticamente y se alcanza rpidamente la rotura.

tmax Y

En la prctica las reducciones por pasada se encuentran por debajo de los lmites tericos.

128

El proceso es similar a presionar un tubo de pasta dentfrica.

En general la extrusin se emplea para obtener partes de gran longitud con seccin transversal uniforme.

Hay dos tipos bsicos: - Extrusin directa - Extrusin indirecta

ExtrusinLa extrusin es un proceso de compresin en el cual el metal es forzado a fluir a travs de la abertura de una matriz para producir una forma deseada de seccin transversal.

129

Examples of extrusions and products made by sectioning them.

(Fuente : Kalpakjian - Schmid)[Courtesy of Kaiser Aluminum]

130

Figure 19.36 (Groover)A complex extruded cross section for a heat sink. (Photo courtesy of Aluminum Company of America)

131

Figure 19.30 (Groover) Direct extrusion.

132

Figure 19.31 (Groover)(a) Direct extrusion to produce a hollow or semi-hollow cross sections; (b) hollow and (c) semi-hollow cross sections.

133

Figure 19.32 (Groover)Indirect extrusion to produce (a) a solid cross section and (b) a hollow cross section.

134

EXTRUSIN DIRECTA(Direct extrusion / forward extrusion)

135

EXTRUSIN INDIRECTA (O INVERSA)(Indirect extrusion / backward extrusion)

136

EXTRUSIN HUECA

137

EXTRUSIN EN FRO

138

PRENSA DE EXTRUSIN DIRECTA PARA PERFILES SLIDOS

139

PRENSA DE EXTRUSIN DIRECTA PARA TUBOS

140

The effect on the distribution of flow caused by the use of dies of different conicity. Small-scale experiments with tin.[Sachs and Eisbein]

141

Defectos en la extrusin

1. Fractura en la superficie(fir-tree craking o speed craking)

2. Defectos de extrusin(pipe, tailpipe, fishtailing)

3. Fractura interna (centerburst, center craking,arrowhead craking, chevron craking)

142

Aluminium billet extruded 60 per cent at 500C. Showing how entraining of oxidized surface layers can lead to subcutaneous defects. Direct extrusion. [Pearson and Parkins]

143

Container heating by resistance panels inside the container-holder. [Pearson and Parkins]

144

The Schloemann system of container heated by induction. [Pearson and Parkins]

145

Figura 6.57 (Kalpakjian)(a) Chevron craking in round steel bars during extrusion(b) Deformation zone in extrusion showing rigid and

plastic zone

146

Separation at flow surface in discard end of hard brass billet.[Pearson and Parkins]

147

Extrusin

Relacin de extrusin

A

Ao

RlnAAln o ==Deformacin equivalente

AAR o=

148

Ao

A

Determinacin de la fuerza ideal deextrusin

Fd

Trabajo desarrollado por la fuerza externa:We = Fd x (1)

Trabajo ideal de deformacin plstica:Wd = ud V = (Ym ) (Ao x) (2)

AoIgualando (1) y (2) : Fd = Ym ln AoA

x

149

Consideracin simple de la friccin en extrusin

a) Friccin deslizante

presin de extrusin

== mo

dd YA

Fp

pd

f = pd

F'D

xDp4DpFF'F d

2

dfd +=+=

f = pd

W ' = Wideal + Wfriccin = F ' x = Fd x + Ff x

x

150


a) Friccin deslizante

pd

f = pd

F'D

xDp4DpFF'F d

2

dfd +=+=

f = pd

x

+==D

x41pA

'F'p do

151


b) Friccin adherente(Tresca)

pd

f = k

FxD

xD2

Y4DYFFF m

2

mfdx +=+=

x

f = k

+==Dx2Y

AFp m

o

xx

2Yk mf ==

152

Fuerza de extrusin

F

Carrera del pisn

Longitud remanente del tocho

Extrusin directa

Extrusin indirectaFormacinde tope

153

TRABAJO DE CHAPA METLICA

Principales operaciones:

Corte (shearing)- Recortado o troquelado (blanking)- Punzonado (punching)- Cizallado (shearing)

Doblado (bending)

Embuticin (deep drawing)

154

Punzonado

dp = dimetro del punzn

dm = dimetro de la matriz

t = espesor de la chapa

c = juego radialp t = penetracin

Fuerza de punzonado

Fs = 0,7 su L t (10.1)

Fs

155

Figura 10-3 [J. A. Schey]Las piezas cortadas con acabado aceptable se producen cuando (a) el corte se hace con un claro ptimo. (b) La falda del borde rasgado fabricado con un claro pequeo y la rebaba producida con un claro excesivo son indeseables (c).

156

Figura [Kalpakjian]Efecto del juego c entre el punzn y la matrizConforme se incrementa el juego, el material tiende a ser jaladodentro de matriz en vez de ser cizallado.

157

El juego radial depende del tipo de material y del espesor de la chapaGroover, Tabla (20.1)

Material a

Aleaciones de aluminio 1100S y 5052S, todos los templesAleaciones de aluminio 2424ST y 6061ST; latn en todos los temples; acero suave laminado en fro; acero inoxidable suaveAcero laminado en fro de dureza media; acero inoxidable, dureza media y alta

0,045

0,060

0,075

c = a t

158

Curvas Fuerza-penetracin con juego cero para diversos materiales. (Chang y Swift) Fuente: Alexander y Brewer.

159

Afeitado (Shaving)Figura 7.11 [Kalpakjian](a) Afeitado de un borde troquelado.(b) Corte y afeitado combinados en una carrera del punzn.

160

161

Doblado de chapa (Bending)

+ = 180

= ngulo de doblado = ngulo incluidor = radio de doblado

r

162

Deformacin en el doblado

El alargamiento o acortamiento de la fibra vara linealmente con su distancia a la fibra neutra.

163

Deformacin unitaria convencional

ABAB'B'Ae =

tr2t

)2/tr()2/tr()tr(e +=+

++=

1)t/r2(1e +=

A

A

B

B

r

t

164

Distribucin de esfuerzos en el doblado

Elstico Plstico

Distribucin asumida

su

su

165

Desarrollo del doblado (Bending allowance)

Cuando se dobla una plancha con radios relativamente grandes la lnea neutra se encuentra en el centro del espesor.

Cuando se dobla con radios pequeos la lnea neutra se desplaza hacia el lado sometido a compresin.

Esta variacin usualmente se toma en cuenta para relaciones ( r / t ) < 2.

En ingls se conoce como bend allowance la longitud del eje neutro en la zona de doblado.

166

Desarrollo del doblado (Bending allowance)

r

tx B

A

( )tkr3602AB x +=

tkx x =

Para r / t < 2 kx = 0,33Para r / t 2 kx = 0,5

Groover (20.6)

167

Recuperacin elstica en el doblado (Springback)

En el doblado, los esfuerzos alrededor del plano neutro deben ser elsticos.

Cuando se retira la herramienta de doblado el momento desarrollado por las componentes elsticas del esfuerzo causa una recuperacin elstica.

Como la longitud de la lnea neutra no cambia, el ngulo despus de la recuperacin elstica se puede obtener de:

2 t R

2 t R doblado de Arco 2211

+=

+=

168

Recuperacin elstica en el doblado (Springback)

1

2K =

K

r/t

r

t

169

Kalpakjian, Figs. 7.18 y 7.19(a) 2024-0 and 7075-0 aluminum, (b) austenitic stainless steel, (c) 2024-T aluminum (d) hard austenitic stainless steel, and (e) hard to full-hard austenitic stainless steel

+

+=

=2 t R

2 t R

Ksf

i

i

f

170

Momento flector requerido para el doblado

4Lts

2tL

2tsM

2u

u =

=

MM

171

Algunas formas de doblado (1)

(a) (b)

a) Early stages of air bendingb) Sheet with one end clamped

[Lange]

172

Algunas formas de doblado (2)

Etapas del rolado (Roll bending)[Lange]

EMBUTIDO (DEEP DRAWING) Embutido (Deep drawing) a) Sin prensachapas

Embutido (Deep drawing) b) Con prensachapas

Estado de esfuerzos en el embutido

176

= 7,0dDstdF u

Fuerza requerida para el embutido

Fh = Fuerza ejercida por el sujetador o prensachapas

Schey (10-8)Groover (20.12)

177

1. Propiedades de la chapa2. Relacin entre el dimetro del recorte y el

dimetro del punzn3. Espesor de la chapa4. Radios de las esquinas del punzn y de la

matriz5. Juego entre el punzn y la matriz6. Fuerza ejercida por el pisn o prensachapas7. Friccin y lubricacin entre las superficies del

punzn, de la matriz y de la chapa8. Velocidad del punzn

Las variables independientes de importancia en el embutido profundo son:

Efecto del radio de las esquinas de la matriz y del punzn.

(a) Radio de la matriz muy pequeo.(b) Radio del punzn muy pequeo.

179

Desarrollo de embutidos

Para determinar las dimensiones del recorte de chapa necesaria se suele asumir que el espesor no vara durante el proceso y, en consecuencia, el rea del recorte debe ser igual al rea de la forma obtenida.

180

Si el espesor de la chapa es mayor que el juego entre el punzn y la matriz, el espesor de la pared lateral se reducir. Este efecto, conocido como planchado, produce una copa con espesor de pared constante. La longitud de la copa ser mayor que la obtenida empleando un juego mayor.

Planchado (Ironing)

181

EVALUACIN DEL EMBUTIDO

Relacin de embuticin (drawing ratio)

DR = (D / d) generalmente 2 Groover (20.10)

tambin se emplea la reduccin r

Groover (20.11)

relacin (espesor / dimetro) del recorte

(t / D) preferiblemente > 1%

DdDr =

182

RAZN LMITE DE EMBUTIDOLIMITING DRAWING RATIO (LDR)

Cuando la fuerza de embutido excede la fuerza que puede soportar la pared de la copa, se produce la fractura. La relacin del dimetro mximo de recorte al dimetro de copa que puede ser embutida se conoce como razn lmite de embutido:

dDLDR max=

Esta relacin no es una constante del material sino una propiedad del sistema, que depende de todas las variables que afectan la fuerza de embutido y la resistencia de la pared de la copa.

183

Las copas que requieran una relacin de embutido mayor que la relacin lmite pueden ser obtenidas mediante una operacin de conformado secundario conocida como reembutido (redrawing).

En el reembutido se puede aprovechar el efecto de ablandamiento por deformacin (strain softening) que ocurre cuando el material es sometido a un doblado posterior en una direccin opuesta a la del doblado original (es un ejemplo de aplicacin del efectoBauschinger). Esta operacin es conocida como reembutido inverso (reverse drawing)

184

Reembutido (Redrawing)

Figura 10-27 [J. A. Schey]Las copas se deforman adicionalmente por (a) reembutido (b) planchado, o (c) estirado inverso.

185

Reembutido (Redrawing)

Figura 20.21 (Groover)

186

Embutido inverso (Reverse drawing)


187

Lmite para el embutido sin prensachapaD d < 5 t Kalpakjian (7.23)

Groover (20.14)

Embutido sin prensachapas empleando una matriz con un perfil de tractriz (tractrix).

188

Formabilidad de la chapa metlicaEs la capacidad de la plancha de soportar el cambio de forma deseado sin que se produzcan fallas como estriccin o fractura.

Factores que influyen en la formabilidad:a) propiedades de la plancha;b) condiciones de friccin y lubricacin;c) caractersticas del equipo y de las matrices

empleadas

189

Caractersticas de las chapa metlicasLas principales caractersticas que influyen en las operaciones de formado de chapa son:

Alargamiento del punto de fluencia Anisotropa Tamao de grano Tensiones residuales Recuperacin elstica Arrugamiento

190

Textura (Anisotropa)Un material policristalino recocido presenta propiedades isotrpicas, pues representan el promedio de las propiedades de los cristales orientados en forma aleatoria.La deformacin plstica causa una elongacin de los granos y dentro de ellos, la rotacin de los planos de deslizamiento. En consecuencia se presenta una alineacin notoria de las orientaciones cristalogrficas (orientacin preferida o anisotropa).

191

Figura 7.54 [Kalpakjian]Definicin de la anisotropa normal, R, en funcin de las deformaciones en el ancho y en el espesor en una probeta de traccin cortada de una chapa laminada.La probeta puede ser cortada en diferentes direcciones

192

La anisotropa se evala a travs del valor R

tw R

=

4 R R 2 R R 9045o ++=

2 R R 2 - R R 9045o +=

Se define una R media como una medida de la anisotropa normal:

Una medida de la anisotropa plana es R:

OREJADO (EARING)

- Su nmero puede ser cuatro, seis u ocho.

- La altura de las orejas aumenta con el aumento de R.

- Cuando R = 0 no se forman orejas.

La anisotropa planar origina la formacin de "orejas" en las piezas embutidas.

La facilidad del embutido se incrementa con un alto valor de y un bajo valor de R R

194

1. Traccin: (L/L), n, R, Rm2. Embutido (cupping)

Erichsen, Olsen (stretching)Swift, Fukui (drawing)

3. Abultamiento (bulge test)4. Diagramas lmite de formado

(forming-limit diagrams)

Ensayos para evaluar la formabilidad

195

Fig 7.51 [Kalpakjian](a) embutido puro (pure drawing), (b) estirado puro (pure stretching). El reborde (bead) impide que la plancha pueda fluir libremente en la cavidad de la matriz.

196

Esquema del ensayo de estirado con punzn en especmenes de diferentes anchuras sujetos por los extremos angostos. El estirado es ms uniaxial cuanto ms angosto es el espcimen.

197

Figura 7.65 [Kalpakjian] Ensayo de abultamiento (Bulge test) en chapa de acero de distinta anchura. De izquierda a derecha el estado de esfuerzos cambia de casi uniaxial a biaxial.Cortesa de Ispat Inland, Inc.

198

Figura 7.64 [Kalpakjian]Ejemplo del empleo de grillas (circulares y cuadradas) para determinar la magnitud y direccin de las deformaciones superficiales en el conformado de chapa. [S Keeler]

199

-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5Compresin Traccin

DEFORMACINUNITARIAMAYOR

DEFORMACINUNITARIAMENOR

DEFORMACINPLANA

Diagrama tpico del lmite de conformado en acero de bajo carbono

200

Figure 7.52 [Kalpakjian] (a) Schematic illustration of a draw bead, (b) metal flow during drawing of a box-shaped part, using beads to control the movement of the material, and (c) deformation of circular grids in drawing.

201

Figura 7.63 [Kalpakjian]Forming-limit diagram for various sheet metals.Diagramas lmite de formado para chapas de diversos metales.

202

Figura 10-22 [Schey](a) El estado de esfuerzos vara en gran medida sobre partes diferentes de una copa parcialmente estirada. (b) Un material con r mayor se beneficia del reforzamiento de la base y de la pared.

203

Defectos en la embuticin

a) Arrugamiento en la brida (Wrinkling in the flange)b) Arrugamiento en la pared (Wrinkling in the wall)c) Fractura o desgarramiento (Tearing)d) Orejado (Earing)e) Rayado superficial (Surface scratches)


204

Figura 7.66 [Kalpakjian] Major and minor strains in various regions of an automobile body.Deformaciones unitarias mayores y menores en diversas partes de la carrocera de un automvil. [T.J. Nihill & W.R. Thorpe]

3.1 Conformado de metales por deformación plástica

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