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SOFTWARE DE SIMULACIÓN DE PROCESOS DE DEFORMACIÓN POR FORJA

Pablo E. Romero Carrillo 1 INTRODUCCIÓN Durante el estudio de la tecnología de elaboración de los metales a presión es necesario saber calcular correctamente los esfuerzos requeridos, el carácter del flujo del metal, tensiones y deformaciones tanto en la pieza bruta a deformar, como también en las estampas. El carácter no lineal del problema excluye la posibilidad de hallar soluciones analáticas "simples" y requiere la utilización del aparato matemático complejo. La base del núcleo de cálculo de los programas de elementos finitos que se utilizan en la actualidad es la simulación de los procesos de elaboración de los metales a presión con la utilización de la teoría de flujo. Dicho enfoque de la simulación de la deformación de los metales se comenzó a desarrollar en los años 70. Posteriormente, estos trabajos se encaminaron a desarrollar programas de simulación de procesos tales como laminado, extrusión y estampado. 2 PRIMEROS PROGRAMAS COMERCIALES DE ANÁLISIS EN 2D

La simulación matemática completamente automatizada se hizo accesible a nivel comercial en Rusia, con la aparición del primer software destinado a la simulación por elementos finitos del estampado a presión. El programa fue publicado en principio del año 1991 por la firma "Quantor" (Moscú).

Dicho software venía a solucionar una serie de problemas que se daban en aquel momento, como eran los siguientes:

• Que el programa fuera comprensible para el tecnólogo-estampador sin una preparación especial en la rama de los métodos numéricos.

• Garantizar que los resultados fueran exactos y con garantía, independientemente de la calificación del usuario.

• Garantizar el cálculo rápido en computadoras personales accesibles y baratas.

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Esto fue muy importante porque los otros programas análogos en aquellos tiempos se basaban exclusivamente en la utilización de las centros de cálculo costosos que funcionan bajo el sistema UNIX y que demandaban una alta preparación del usuario en la disciplina de los elementos finitos, ya que exigían controlar la reorganización de la red de elementos manualmente.

El software funcionaba bajo el sistema operativo MS DOS y garantizaba el cálculo del flujo de eje simétrico y plano del metal, lo que cubría completamente las necesidades de la simulación de las piezas forjadas redondas en el plano y la simulación de las secciones transversales de las piezas forjadas alongadas. El programa también calculaba efectivamente las tensiones y deformaciones en el instrumento. El programa incorporaba una serie de ideas innovadoras muy importantes, las cuales predeterminaron el desarrollo en esta rama para los años venideros.

En primer lugar, fueron utilizados los elementos finitos triangulares de alto orden. Los márgenes curvilíneos de los mismos, aproximan de manera mucho más exacta los perfiles complejos de las estampas y piezas brutas, en comparación con los elementos lineales con la misma cantidad de grupos. En este caso, la complejidad de los algoritmos se compensa sobradamente por la mayor exactitud de solución en comparación con otros programas similares que también utilizaban los elementos finitos.

En segundo lugar, y como norma general, se decidió que el usuario de ninguna manera debiera intervenir en el proceso de solución. El programa debía funcionar como una "caja negra" a la que el usuario introdujera los parámetros tecnológicos necesarios y en el acto obtuviera el resultado. Para esto se han elaboraron métodos efectivos del trazado automático de las redes de elementos finitos. El generador de la red de elementos finitos basado en principio adaptativo trazaba la red a partir de muchos parámetros que podían influir sobre la exactitud de la solución en cada punto (forma geométrica, gradientes de campos, cercana de los instrumentos que se deforman, etc.). Este hecho ha permitido trazar las redes de elementos finitos con las dimensiones distribuidas de manera más efectiva concentrándolas en las zonas de altos gradientes, reservando los elementos de mayor tamaño a los lugares donde los gradientes no son tan altos y no perjudican la exactitud de la solución. La óptima programación de algoritmos permitía trazar una red nueva para cada paso según el tiempo distribuyendo los recursos de cálculo de forma óptima.

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3 SEGUNDA HORNADA DE PROGRAMAS DE CÁLCULO

La siguiente etapa del desarrollo de los métodos de simulación computarizada de los procesos de diseño mecánico por ordenador fue la elaboración y publicación de programas bajo sistemas operativos de ventanas, a finales de los 90. Estos eran sistemas completamente orientados hacia objetos y profundamente integrados. Los cambios no se redujeron a la escritura de la interfaz de ventanas con el núcleo existente. Los programas fueron proyectados de nuevo y se copiaron todos los códigos para lo que se necesitó varios años. En este caso se tuvo en cuenta toda la experiencia y los resultados de las investigaciones acumulados hasta el momento, así como las tecnologías más actuales de

programación, aparecidas con el amplio uso de Windows. Pero el resultado fue mejor que el esperado.

En este paso, se cambió completamente la interfaz de los programas. La misma llegó a ser completamente interactiva y gráfica. Desaparecieron los conceptos de “pre” y “post procesador” ya que la preparación de los datos, el cálculo y la visualización estaban o debían de estar juntos y sincronizados en el tiempo. La pieza bruta a deformar y las estampas estaban representadas en forma de una gráfica tridimensional; además, la forma de la pieza varía constantemente en la pantalla sincrónicamente con el desarrollo del cálculo. Sin interrumpir el cálculo, el usuario puede cambiar los regímenes y sacar los diferentes campos u otros resultados de interés analizando el paso del proceso sin esperar que se termine la simulación.

Por primera vez en la práctica mundial el usuario obtuvo la posibilidad de simular automáticamente toda la secuencia del estampado como una cadena tecnológica única incluyendo las operaciones intermedias de enfriamiento y calentamiento. En este caso, cambiando uno o dos parámetros, el usuario podía calcular toda la cadena de nuevo creando de hecho las nuevas variantes de la tecnología en los marcos del proyecto tecnológico único.

El desarrollo posterior obtuvo el modelo de cálculo. El desarrollo del núcleo de elementos finitos ha permitido simular efectivamente la formación de pliegues cuando la superficie libre llega a hacer contacto con ella misma y seguir el proceso de deformación de estas formaciones defectuosas a través de los pasos siguientes del estampado inclusive hasta la pieza terminada.

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4 PROGRAMAS DE DISEÑO 3D

Con el paso del tiempo, se fueron acumulando experiencia y perfeccionando los algoritmos, y se dieron las condiciones para plantear programas que simularan y calcularan de modo tridimensional los procesos de deformación y variación de forma de metales. Paralelamente se dio también un incremento de la popularidad de este tipo de programas, lo que permitió hacer participar en su mejora a colectivos de distintos países con un objetivo común, y que empezaron a reunir sus esfuerzos ante un proyecto tan complejo. Distintos consorcios internacionales desarrollaron distintos programas de cálculo, competidores entre sí.

A los efectos de la elaboración del programa de simulación tridimensional era muy importante garantizar la sencillez de la utilización, la posibilidad de preparar todos los algoritmos para poder hacer el cálculo en varios minutos, ejecutar el proceso desde el inicio hasta el final en el régimen completamente automático sin la intervención del usuario y obtener con garantía el resultado exacto inclusive si el usuario no tiene conocimientos especiales en la rama de la teoría de simulación de elementos finitos.

Uno de los grandes problemas de estos programas era su estructura modular, que obligaba al calculista a utilizar diferentes subprogramas en función del proceso a simular. Fue un gran avance el unificar esas subrutinas en un único programa. Desde el punto de vista del usuario esto es una gran ventaja. Los programas han conservado completamente una amplia funcionalidad y la interfase simple y habitual de sus antecesores bidimensionales. También ha sido necesario, en esta evolución, dar la oportunidad al usuario de definir no solamente los perfiles bidimensionales de las secciones transversales, sino los modelos sólidos de las estampas y de la pieza bruta.

La integración de la simulación “bi” y “tridimensional” en un solo programa da la posibilidad única de simular efectivamente la cadena tecnológica compuesta de varios pasos de estampado, los primeros de los cuales poseen una simetría axial y pueden solucionarse rápidamente en una ejecución bidimensional (por ejemplo, recalcado y pasos preliminares) y los siguientes pasos requieren una simulación tridimensional a escala completa. La estructura del programa orientada hacia el objetivo crea un medio de uso muy confortable y completamente integrado. La preparación de los datos se produce paralelamente con la imagen de los mismos para el control visual, mientras que el cálculo es acompañado por la deducción gráfica simultánea de los resultados. De esta forma, el "experimento computarizado" sustituye los experimentos del campo ahorrando los gastos de trabajo y el tiempo para el "acabado" de la tecnología del instrumento.

Otro de los grandes problemas que ha existido durante varios años ha sido la imposibilidad de trabajar con ficheros de distintos tipos. Ese tema se ha solucionado mediante la importación efectiva de la información geométrica garantizada por una interfaz común a todos los sistemas de simulación de cuerpo sólido.

Utilizando, en calidad de datos iniciales, una geometría completa y exacta de las estampas y de la pieza bruta, así como teniendo la experiencia de utilización de la aproximación no lineal durante la solución de los problemas bidimensionales, en este tipo de programas comerciales se ha conseguido utilizar el aparato de cálculo de la

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teoría de elementos finitos para la solución de los problemas tridimensionales. Este hecho permitió aumentar considerablemente la exactitud de la solución, disminuir la pérdida del volumen y lograr una alta fiabilidad de la solución y la autenticidad del pronóstico de los defectos del estampado. La descripción de las superficies mediante el modelo no lineal de elementos finitos permite reorganizar la red tan frecuente como se necesita sin el "recorte" de la superficie en los lugares de gran curvatura, lo que es indispensable para los elementos finitos.

El programa traza automáticamente la red de elementos finitos en la superficie y dentro del volumen de las estampas y de la pieza bruta y la organiza en el proceso de solución a medida que sea necesario. Ya que la base es la aproximación no lineal, se pueden utilizar algoritmos adaptativos de trazado de las redes completamente automáticos más complejos y efectivos. La red se concentra en los lugares de mayor curvatura de la superficie y altos gradientes de la solución y se rarifica al máximo en los lugares donde el flujo del metal no es intensivo (zonas rígidas) para el ahorro de los recursos de cómputo. En resumidas cuentas, la red trazada automáticamente garantiza una alta calidad de la solución y la exactitud de la misma independientemente de la calificación del usuario en el campo de los elementos finitos.

5 TIPO DE PROCESOS TECNOLÓGICOS A SIMULAR Los programas de cálculo y simulación por elementos finitos son un instrumento ideal para la simulación de los procesos tecnológicos no estacionarios de la variación de la forma de los metales a presión en estado caliente, frío y templado. En este caso, el metal puede encontrarse en estado tanto compacto, como en estado poroso (polvos metálicos). La mayoría de los programas comerciales existentes en la actualidad permite simular el estampado a presión (abierto y cerrado), la forja sin matriz, el prensado, doblado y recalcado. Además de esto, se pueden simular las operaciones intermedias y los procesos incluidos de forma natural en la cadena tecnológica, tales como el enfriamiento de la pieza bruta a la intemperie y dentro del instrumento, la perforación del orificio y el corte del metal sobrante, el volteo de la pieza y el posicionamiento de la misma bajo la actuación de la fuerza de gravedad.

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• Estampado en caliente a presión

El uso de programas de simulación y cálculo por MEF permite utilizar de

forma más completa las ventajas del estampado a presión en caliente, tales como un alto rendimiento, obtención de las piezas que tienen una forma compleja con pequeñas tolerancias y alta calidad del producto fabricado. Los programas permiten simular el flujo de los metales en las estampas complejas y pronosticar los posibles defectos (relleno incompleto, pliegues, lumbagos). Se simula la distribución de la temperatura, de las deformaciones y tensiones en la pieza forjada y dentro del instrumento, así como la forma de las fibras en la pieza forjada, lo que es muy importante para el control de la calidad. El análisis del esfuerzo del estampado y de los gastos de energía permite seleccionar el equipamiento óptimo. Teniendo un instrumento de cálculo tan perfecto, el tecnólogo puede optimizar el proceso logrando la ausencia de los defectos, la disminución del consumo del metal y el aumento del rendimiento sin estampas de prueba costosas.

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• Estampado en frío a presión

El estampado en frío permite obtener el artículo muy exacto con una calidad de la superficie que no requiere ningún tratamiento mecánico adicional. En este caso, surgen limitaciones relacionados con más altos esfuerzos de la deformación y la resistencia del instrumento. El empleo del software de simulación permite optimizar el flujo del metal desde el punto de vista de la disminución del esfuerzo y la utilización completa de las propiedades de plasticidad. El cálculo del programa permite optimizar las estampas compuestas pretensadas con piezas insertadas sólidamente aleadas y anillos de bandaje.

A continuación se muestra una secuencia de imágenes de la simulación del

estampado en frío de una tuerca.

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• Forja sin matriz Se pueden realizar también simulaciones del proceso de estirado, o sea, de

forja sin matriz. El estirado puede utilizarse para la formación previa de la pieza bruta destinada para el estampado siguiente. Con más frecuencia la forja sin matriz se realiza con martillos en varios golpes. Para esto, en el programa existe la posibilidad de dar parámetros, tales como el desplazamiento, volteo, enfriamiento entre los golpes, para cada uno de los golpes, para poder simular todo el proceso tecnológico como una sola operación.

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• Laminado

Para la producción de piezas forjadas que tienen una forma compleja se

utiliza el laminado, como operación previa. En el proceso del laminado con cilindros perfilados, en uno o varios pasos se forma la pieza bruta perfilada. Existen programas de simulación especializada en la proyección de la tecnología del laminado y del instrumento de trabajo para los cilindros de forja.

A continuación se relacionan una serie de imágenes de la simulación del

laminado en dos pasadas de una preforma perfilada para el estampado de una biela. El laminado se realiza en rodillos de forja en dos pasadas según el esquema "círculo-óvalo-círculo". Entre los pasos la preforma se voltea 90 grados.

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• Pulvimetalurgia

Existen programas que permiten simular efectivamente la compactación de

los polvos tanto en estado de carga libre, como también el estampado de las piezas brutas previamente compactadas porosas o cocidas. En estos programas se utiliza el modelo del medio plásticamente comprimible, que posee un criterio elíptico de fluidez, el cual convierte en criterio energético corriente de plasticidad de Misses con la disminución de la porosidad hasta el valor cero.

Desde el punto de vista del usuario, la simulación del estampado del

material en polvo se diferencia poco del estampado del material compacto. Es necesario seleccionar la opción material " compresible" y prescribir la densidad relativa inicial del mismo. El resto de las operaciones en cuanto a la entrega de los datos iniciales son las mismas que para el material compacto. Los programas pueden utilizarse tanto para el cálculo de la compactación previa del polvo a granel en los contenedores, como también para la deformación de las piezas brutas porosas previamente compactadas en las estampas cerradas de configuración compleja. Se garantiza el análisis de la distribución de la porosidad residual en el artículo, así como de los campos de tensiones, de la deformación y temperatura en el mismo y permite optimizar los parámetros tecnológicos.

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• Recalcado

Para el estampado de las piezas tipo semiejes, válvulas con gran

correlación de los diámetros de la brida y de la barra principal se necesita cargar gran cantidad del metal en el extremo de la pieza bruta. A los efectos de la utilización del recalcado, la cantidad necesaria del metal puede ser cargada en un solo ciclo de estampado. El recalcado es un proceso tecnológico muy complejo durante el cual el calentamiento se produce debido a la corriente eléctrica que pasa, mientras que la deformación y, al fin de cuentas, la forma del artículo se determinan mediante la distribución de la temperatura obtenida como resultado del calentamiento irregular.

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6 PERFECCIONAMIENTO DE LA TECNOLOGÍA DEL ESTAMPADO CON LA

UTILIZACIÓN DE LA SIMULACIÓN

Existen muy buenos programas para la elaboración y optimización de la tecnología del estampado, lo que permite reducir al máximo o incluso excluir completamente las estampas de prueba. Ante todo, el software comercial actual ofrece la posibilidad de hacer un análisis detallado del flujo del metal en las estampas, no importa cuan compleja sea la forma de las mismas, y permite detectar los posibles defectos relacionados con el llenado incompleto del grabado, formación de pliegues y "lumbagos". En esta etapa, el tecnólogo mediante el software investiga como la forma y las dimensiones de la pieza bruta influyen sobre el flujo del metal, así como los pasos intermedios. Al lograr que se repleten las estampas, el tecnólogo puede realizar la siguiente optimización con el objetivo de reducir el consumo del metal, disminuir los esfuerzos de las estampas, garantizar la calidad requerida y las propiedades de la pieza forjada. Luego el tecnólogo tiene la posibilidad de calcular las tensiones y deformaciones en las estampas y mediante la variación del diseño de las mismas conseguir que se incremente la resistencia del instrumento tecnológico. De esta forma, el programa, durante la utilización del mismo en las condiciones de producción, garantiza un gran ahorro económico.

6.1 Pronóstico y eliminación de los defectos del flujo del metal.

• Pliegues Los pliegues se forman en los tramos de la superficie libre de la pieza bruta

a deformar debido al flujo no estable del metal. Los elementos de la superficie se interaccionan y se cierran formando un defecto. La generación automática de la red de elementos finitos permite, mediante la simulación, determinar el momento y el lugar de formación del pliegue, a continuación seguir las dimensiones y el lugar de ubicación de este defecto en los pasos posteriores y en el producto acabado. Teniendo el panorama completo de la formación de un defecto, el tecnólogo determina las posibles vías de eliminación del mismo y mediante la simulación comprueba la efectividad de las variantes cambiadas y encuentra la solución óptima que elimina dicho pliegue.

En muchos de estos programas, el defecto tipo "pliegue" se identifica con

una línea de color. La forma y el largo de esta línea corresponden al defecto real en la pieza forjada real. Al aparecer el "pliegue", el cálculo no se detiene normalmente. En caso de que sea necesario, la pieza forjada puede entregarse al paso siguiente y el cálculo puede continuar exitosamente. Una vez terminado el cálculo del último paso, la línea de color indicará el lugar de ubicación del pliegue en la pieza ya estampada.

En calidad de ejemplo analicemos la simulación del estampado de la pieza

forjada en un solo paso de pieza bruta cilíndrica en una prensa mecánica. Las líneas verticales "langranger " ofrecen la posibilidad de observar el flujo del metal en la zona de formación del "pliegue".

A la izquierda aparece la pieza bruta con la formación del defecto. Como se puede ver en la animación, en el momento cuando el metal hace el contacto con la superficie del instrumento superior, se forma el "pliegue" en la zona de brida de la pieza forjada.

Para evitar el defecto durante el estampado en un solo paso es necesario probar varias variantes con distintas formas del instrumento superior y hallar la forma óptima del mismo.

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A la derecha aparece la pieza bruta sin defecto. Como se puede ver, el defecto fue eliminado desplazando hacia abajo la línea de vaciado de las estampas e introduciendo un escalón en la estampa superior.

Simulación del defecto "pliegue" en 3 dimensiones

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• "Lumbagos" El defecto tipo "lumbago" surge a causa de que las capas superficiales del metal se meten dentro del cuerpo de la pieza forjada debido a la gran deformación local dirigida hacia el centro. El defecto aparece al final del paso cuando el metal sale de forma intensiva de la cavidad completamente llena de una de las estampas a la

cavidad todavía no llena de la otra estampa. Para determinar el surgimiento en la pieza forjada de este tipo de defectos se utilizan las posibilidades especiales del programa QFORM para la visualización del flujo de las capas superficiales del metal.

• Simulación del defecto "lumbagos" en 2 dimensiones Además del " agarre" el programa, en el proceso del estampado, puede

identificar otro tipo de defecto, o sea, el " lumbago". El lumbago se forma en la pieza bruta cuando el metal se presiona fuera de la cavidad (por ejemplo, brida) después del llenado de la misma. El lumbago por fuera se ve como un pliegue, pero evidencia el flujo incorrecto del metal o el desplazamiento interno dentro del mismo, el cual puede difundirse profundamente dentro de la pieza bruta. Ya que durante la formación del lumbago la superficie no burbujea, el programa no puede marcar el lumbago con una línea. Para la identificación de este defecto, en el programa está previsto un juego especial de instrumentos, es decir, líneas próximas a la superficie.

En dicho ejemplo, el lumbago se produce cerca del ángulo de la estampa en la etapa final del estampado. En la figura más abajo en el cuadrito rojo se muestra una foto ampliada de este defecto y la identificación del mismo en el QFORM mediante las líneas próximas a las superficies.

Más abajo a la derecha se muestra el proceso del estampado sin la formación del defecto. Para evitar que en el proceso del estampado no se forme el defecto es necesario cambiar la configuración de la estampa aumentando la pendiente y el radio del redondeado y con eso evitar que aparezca el lumbago lo que se atestigua por la transición suave de las líneas próximas a la superficie cerca de la zona peligrosa.

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6.2 Aumento de la resistencia del instrumento

El programa permite simular las tensiones y deformaciones tanto en las estampas enteras, como en las estampas combinadas previamente tensadas compuestas de varias partes (bloques, anillos de bandaje, piezas insertadas de aleación sólida, empujadores, etc.). El cálculo se realiza para un conjunto de cuerpos acoplados que componen el instrumento y trabajan como un conjunto. En este caso, los componentes del instrumento combinado pueden ser ensamblados con holgura o con tensor. Con ayuda del programa, el tecnólogo analiza la influencia del carácter del flujo del metal y del diseño de las estampas sobre la magnitud de las tensiones en las mismas y encuentra la correlación óptima de los parámetros que garantiza la mejor resistencia del instrumento.

Los programas MEF permite simular el instrumento componente que tiene varias partes tales como bloques, anillos, piezas insertadas, punzones, etc. El cálculo se realiza para cada uno de todos los cuerpos que componen el instrumento y trabajan como un conjunto. Las piezas del instrumento componente pueden ser ensambladas con holgura o apriete.

• Introducción del material del instrumento y de las condiciones de fricción Se introducen diferentes materiales para cada una de las piezas del

instrumento componente y variando los valores del apriete y/o holgura entre los mismos, el usuario puede escoger para el instrumento la magnitud óptima . • Simulación y búsqueda del diseño óptimo de los instrumentos

Cambiando los perfiles del instrumento, el usuario tiene la posibilidad de valorar la efectividad de la sustitución del instrumento simple por un instrumento componente y mejorar la calidad del instrumento componente

En la figura a la derecha aparece la distribución de la tensión equivalente en el instrumento inferior entero al final del paso durante el estampado en caliente.

La tensión máxima se observa en el ángulo de la cavidad de la estampa inferior donde existen deformaciones plásticas locales .

La vida útil de este instrumento es corta, pronto en dicha zona se forma una grieta.

En la figura a la izquierda aparece el instrumento inferior con pieza insertada y bandaje. La simulación demuestra la diferencia de la distribución de las tensiones en comparación con el instrumento simple. Aquí en el ángulo de la cavidad no existen ni concentradores de tensiones ni zona plástica.

Esta distribución de las tensiones aumenta la resistencia del instrumento.

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6.3 Disminución del consumo del metal

En lugar de las estampas de prueba costosas el tecnólogo puede hallar una vía que lleva hacia la reducción del peso de la pieza bruta mediante la simulación computarizada. Con este hecho se logra disminuir los gastos a cuenta de la aceleración de la elaboración, del ahorro del metal y aumento de la resistencia del instrumento.

Durante el estampado de diferentes piezas es muy importante seleccionar correctamente la forma de la pieza bruta (preforma) inicial. La forma de la pieza bruta inicial influye sobre el llenado de la cavidad de las estampas. En dos ejemplos más abajo se muestra la obtención de una biela que se hace de diferentes preformas iniciales.

• Variante I (estampado de una preforma cilíndrica) En el primer ejemplo se puede ver que, tomando una preforma inicial

cilíndrica, obtenemos la pieza forjada de la forma que necesitamos pero con gran cantidad del material sobrante. Esto no es ventajoso debido a los grandes gastos para el metal . Mediante los programas MEF se puede elegir la forma óptima de la pieza bruta, lo que está hecho en el segundo ejemplo.

• Variante II (estampado de pieza bruta perfilada)

En el segundo ejemplo se escogía la pieza bruta perfilada con la carga necesaria del metal en la parte superior e inferior de la pieza bruta. Como se puede ver en la animación, la selección de dicha pieza bruta inicial permite disminuir considerablemente la cantidad del metal que sale en la rebaba, pero independientemente de esto obtener la pieza forjada de forma necesaria.

El programa MEF permite simular el proceso tecnológico del estampado de una biela y seleccionar la variante óptima de la preforma inicial.

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6.4 Ventajas económicas de la simulación

La efectividad de la utilización de la simulación se basa en la posibilidad de la solución práctica de un gran número de problemas técnicos que se encuentran durante la elaboración y optimización de la tecnología y del instrumento. Estos problemas pueden ser los siguientes:

• Optimización del flujo del metal. • Ahorro del metal y de la energía. • Aumento de la resistencia del instrumento. • Incremento de la exactitud del estampado.

La propiedad necesaria del programa de simulación, desde luego, es la capacidad de pronosticar los defectos de estampado y determinar las vías de corrección de los mismos.

La efectividad económica de la aplicación del MEF en la producción está basada en la excelente adaptación del programa a las necesidades de la producción. El programa puede utilizarse para la solución de un amplio espectro de problemas relacionados con la producción, con lo que se simplifica la proyección y optimización de las herramientas de estampa.

Con el programa puede trabajar tanto una sola persona, como un grupo de especialistas incluyendo el personal directivo, los proyectistas y tecnólogos en estampado, así como los metalúrgicos. Como resultado, el programa puede ser instalado en muchos puestos de trabajo conectados con una red local computarizada. Para la presentación de este trabajo, analicemos un ejemplo práctico.

• Valoración de la solicitud:

Por lo general, el trabajo con el cliente comienza a partir de la evaluación del volumen de trabajo y del precio de la producción de la supuesta pieza forjada. La simulación previa de la cadena tecnológica les ofrece la información necesaria para evaluar el precio del pedido. Usted puede con una alta exactitud evaluar en que equipo se puede hacer la pieza forjada, que preforma será la óptima, cuantos pasos de estampado se necesitará para la producción de la pieza. El programa permitirá valorar el rendimiento del proceso y la resistencia del instrumento. Dicho de otra forma, la simulación previa ofrecerá todos los datos necesarios para la evaluación del costo de la producción .

• Trabajo con el cliente:

En la etapa de la concertación del contrato para la producción de un lote de piezas forjadas, el especialista, responsable por el trabajo con el cliente, tiene la posibilidad de mostrarle todas las etapas del proceso tecnológico en una computadora. Esta presentación es el medio único para la exhibición del carácter específico de la producción de una pieza concreta.

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• Proyección del proceso tecnológico:

Los tecnólogos tienen una herramienta efectiva para la investigación de la tecnología antes de la realización de la misma en los equipos. La proyección óptima sobreentiende el aseguramiento del flujo del metal sin defectos, la selección correcta de las formas de los pasos previos, la minimización de los esfuerzos y del desgaste del instrumento, lo que, al fin y al cabo, disminuye los gastos para la elaboración de la tecnología.

• Proyección del instrumento:

Los diseñadores tienen un medio de elaboración para crear la estructura del instrumento con máxima resistencia. Los mismos pueden experimentar con piezas insertadas, bandajes y diferentes materiales antes de fabricar el instrumento en metal.

• Metalurgia del proceso:

Los especialistas, responsables por las propiedades metalúrgicas de las piezas forjadas, pueden valorar y hallar la combinación óptima de las condiciones de velocidad y temperatura del estampado para la formación de las propiedades de las piezas forjadas. Prever pausas, recocido y calentamiento entre las operaciones de variación de la forma.

• Adquisición de conocimientos:

Una vez elaborado el proceso y el mapa tecnológico, los resultados de la simulación pueden ser utilizados para el adiestramiento del personal de trabajo. Durante el adiestramiento se puede prestar atención en que lugar el instrumento debe ser bien engrasado cuando aparecen los esfuerzos máximos, lo que puede conducir a la aparición de los defectos.

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7 EJEMPLO DE LA OPTIMIZACIÓN DE LA TECNOLOGÍA DEL ESTAMPADO EN CALIENTE DE LA PREFORMA PARA UN PIÑON

Fotografía de un piñón de transmisión de un automóvil ensamblado (a la izquierda). El peso de la pieza forjada de la cual se fabrica el piñón es 43,7 kg. A la derecha se ven las secciones de la pieza forjada que se forman durante el estampado en caliente en un martillo en 9 golpes

Antes de la modernización mediante la simulación, según la tecnología existente la pieza forjada se obtenía en 9 golpes con un martillo sin yunque inferior con una energía del golpe de 200 KJ. La rebaba y el dintel que se eliminan durante el corte son las pérdidas directas del metal.

El cálculo de la tecnología existente mediante el programa de MEF demostró que la presión máxima del metal en la parte plana central de la pieza forjada alcanza 1200-1250 MPa, lo que conduce a la pérdida de productividad del martillo y disminución de la resistencia de los juegos estampados.

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Estampa inicial (izquierda) y estampa con el compensador en la parte central (derecha).

Se ha propuesto un nuevo diseño de la estampa con un compensador en la parte central del mismo. Los cálculos

evaluativos demostraron, que la presión máxima sobre la estampa no supera los 800 MPa. Sobre la base de los múltiples cálculos fue hallado el diseño óptimo de las estampas con compensadores en la parte central de la pieza forjada. La forma definitiva de las nuevas estampas se ve bien en la figura. Los resultados del ensayo industrial se muestran en la figura siguiente:

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