Upload
alberto-peman
View
212
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Apuntes de deformación plástica de los metales para la producción aeroespacial
Citation preview
Fabricación Aeroespacial UPV
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
Fabricación Aeroespacial UPV
Introducción: Comportamiento en deformación
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”
Fabricación Aeroespacial UPV
Introducción: Comportamiento en deformación
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)
Fabricación Aeroespacial UPV
•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
Introducción: Comportamiento en deformación
plástica
Fabricación Aeroespacial UPV
• 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
Introducción: Comportamiento en deformación
plástica
Fabricación Aeroespacial UPV
Introducción: Comportamiento en deformación
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
Efecto de la temperatura: Conformado en FRÍO y en CALIENTE
Fabricación Aeroespacial UPV
Introducción: Comportamiento en deformación
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
Efecto de la temperatura: Conformado en FRÍO y en CALIENTE
Fabricación Aeroespacial UPV
Introducción: Comportamiento en deformación
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
Fabricación Aeroespacial UPV
Introducción: Comportamiento en deformación
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
Fabricación Aeroespacial UPV
Introducción: Comportamiento en deformación
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
Fabricación Aeroespacial UPV
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
Fabricación Aeroespacial UPV
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
Fabricación Aeroespacial UPV
Forja
Rebaba
Forja libre: piezas únicas, grandes, o series pequeñas
Forja con estampa: preforma
En matriz abierta:
En matriz cerrada:
Fabricación Aeroespacial UPV
Recalcado
Acumulación de material en una zona del producto por compresión axial
Forja
Cabezas de tornillo, pernos, clavijas, esferas...
Ejemplo biela forjada
Fabricación Aeroespacial UPV
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
Fabricación Aeroespacial UPV
Otras Operaciones de Forjado: Estirado de barras
Forja
Estampas de una de las etapas de forjado de un cigüeñal
Fabricación Aeroespacial UPV
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
Fabricación Aeroespacial UPV
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
Fabricación Aeroespacial UPV
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
Fabricación Aeroespacial UPV
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.
Fabricación Aeroespacial UPV
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
Fabricación Aeroespacial UPV
Extrusión
Tipos de extrusión:
• Directa
El material fluye en igual dirección y sentido que el émbolo
Fabricación Aeroespacial UPV
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
Fabricación Aeroespacial UPV
Extrusión
Clasificación según la velocidad:
- Extrusión por impacto: rápida, tubos con paredes finas
- Extrusión lenta: piezas con protuberancias laterales
Fabricación Aeroespacial UPV
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:
Fabricación Aeroespacial UPV
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
Fabricación Aeroespacial UPV
Estirado y Trefilado
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…
Fabricación Aeroespacial UPV
Estirado y Trefilado
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
Fabricación Aeroespacial UPV
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
Estirado y Trefilado
Máxima reducción de sección en una pasada 63%
Fuerza de estirado r
AF1
1ln
11
Fabricación Aeroespacial UPV
Conformado de chapa con separación de material
Corte de chapas, flejes o pletinas
Cizallas rotativas
Guillotina
Fabricación Aeroespacial UPV
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
Conformado de chapa con separación de material
Fabricación Aeroespacial UPV
Punzonado con punzón recto →
Conformado de chapa con separación de material
Punzonado con punzón inclinado↓
Fabricación Aeroespacial UPV
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.
Conformado de chapa con separación de material
Fabricación Aeroespacial UPV
Punzonado con matriz progresiva
Conformado de chapa con separación de material
Ejemplo de punzonado con Matriz Progresiva de la pieza de la figura:
Fabricación Aeroespacial UPV
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
Fabricación Aeroespacial UPV
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)
Conformado de chapa sin separación de material
Fabricación Aeroespacial UPV
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
Fabricación Aeroespacial UPV
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
Fabricación Aeroespacial UPV
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...
Conformado de chapa sin separación de material
Fabricación Aeroespacial UPV
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)
Conformado de chapa sin separación de material
Fabricación Aeroespacial UPV
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
Conformado de chapa sin separación de material
Fabricación Aeroespacial UPV
Conformado de chapa sin separación de material
Embutición profunda:
con embuticiones sucesivas (ej. lata aluminio bebidas)