calculos para diseño de troqueles

ME58A –Procesos de manufactura

Formado por deformación en láminas metálicas por el proceso de embutido profundo

Alumno: Fabián Campos Profes Profesor: or: Marco Marco A. Bejar Bejar

Junio de 2008

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Índice Embutido profundo........................................................................................................... 1 1. Proceso de embutición profunda .............................................................................. 2 2. Capacidad de embutido profundo............................................................................. 3 3. Borde ondulado y anisotropía planar........................................................................ 5 4. Fuerza ....................................................................................................................... 5 5. Practica de la embutición profunda .......................................................................... 6 5.1. Planchado ......................................................................................................... 7 5.2. Reembutición.................................................................................................... 7 5.3. Embutición sujetador del metal en bruto.......................................................... 8 5.4. Desplegado ....................................................................................................... 8 5.5. Acuñado y estampado....................................................................................... 8 5.6. Realzado ........................................................................................................... 9 5.7. Lubricación....................................................................................................... 9 5.8. Herramientas y equipo para embutir ................................................................ 9

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Embutido profundo Muchas piezas fabricadas con láminas tienen forma cilíndrica o de caja, por ejemplo, ollas, tanques de combustible, recipientes de alimentos y bebidas (ver Figura 1). Estas partes se fabrican con un proceso en que un punzón golpea una lámina metálica bruta y la introduce en una cavidad de del dado (Figura 3 a). Aunque este proceso se conoce como embutido profundo, también se usa para fabricar piezas de profundidad moderada.

Figura 1: Procesos de formado de metal que intervienen en la fabricación de un lata de aluminio para bebidas.

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Figura 2: Etapas en la deformación del material en el embutido profundo:1) el punzón entra en contacto con la lámina, 2) doblado, 3) enderezado, 4) fricción y compresión, y 5) forma final de la copa. F= fuerza del punzón y Fh= fuerza del sujetador.

Figura 3: a) Esquema del proceso de embutido profundo en una lámina metálica bruta circular. El anillo desmoldeador facilita la separación de la taza formada del punzón. b) Variables de proceso en embutido profundo.

1. Proceso de embutición profunda En el método básico de embutición o embutición profunda, se coloca una pieza bruta de lámina, redonda, sobre un dado abierto circular, y se fija en su lugar con un sujetador de material en bruto o un anillo de sujeción (Figura 3 b) . El punzón desciende y empuja la lámina dentro de la cavidad, para formar una taza o depresión. Las variables importantes en la embutición profunda son las propiedades de la lámina metálica, la relación entre el diámetro de la pieza 2

bruta (D0) y el diámetro del punzón (Dp), la holgura (c) entre el punzón y el dado, el radio del punzón, Rp, el radio de tangencia (Rd), la fuerza en el sujetador de material en bruto y la fricción y lubricación. Durante la operación de embutición, el movimiento de la pieza bruta hacia la cavidad induce esfuerzos circulares de compresión en la ceja, que tienden a hacer que ésta se pliegue. Este fenómeno se puede visualizar tratando de forzar una pieza circular de papel para meterla en una cavidad redonda, como por ejemplo, un vaso. Se puede reducir o eliminar el plegamiento si se mantiene al sujetador de material en bruto bajo la acción de cierta fuerza. La pared de la depresión que ya se ha formado se somete principalmente a un esfuerzo longitudinal de tensión. El alargamiento hace adelgazar la pared de la depresión; si es demasiado elevado, causa rasgaduras. Debido a las muchas variables que intervienen, es difícil calcular la fuerza del punzón F , aumenta al incrementarse la resistencia, el diámetro y el espesor de la lámina metálica bruta.

2. Capacidad de embutido profundo En una operación de embutición profunda, la generación de defectos suele deberse al adelgazamiento de la pared de la depresión debido a los grandes esfuerzos longitudinales de tensión. Si se sigue el movimiento del material hacia la cavidad del dado, se puede ver que la lámina metálica debe ser capaz de sufrir una reducción de ancho, a causa de la reducción de diámetro; además, la lámina debe resistir el adelgazamiento bajo los esfuerzos de tensión en la pared de la pared de la taza. La capacidad de embutición profunda se mide, en general, con la relación límite de embutido (RLE):  RLE  =

 Do  D p

Donde,  Do corresponde al diámetro máximo de lámina bruta y  D p al diámetro del punzón. El que una lámina se pueda embutir en forma profunda para crear una taza redonda es función de la anisotropía normal, R, del metal laminado, que también se llama anisotropía plástica. La anisotropía normal se define en función de las deformaciones reales que sufre muestra a la tensión (Figura 4):  R =

ε 

ω 

ε 

τ  

Donde

ε 

ω 

es la deformación en ancho y

ε 

τ  

la deformación en espesor.

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Figura 4: Deformaciones en un ensayo de tensión, sacado de una pieza de lámina metálica. Estas deformaciones se usan para determinar la anisotropía normal y plana del metal laminado.

Para calcular el valor de R  se prepara primero una muestra para la prueba de tensión y, a continuación, se le somete a una elongación del quince al veinte por ciento. Como casi siempre las hojas laminas en frío tienen anisotropía en su dirección planar, el valor de R de una muestra cortada de una lámina rolada dependerá de su orientación con respecto a la dirección de laminado de la hoja( o lámina). En este caso, se calcula un valor promedio (Rm) con la siguiente ecuación:  R prom

=

 R0

+

2 R45

+

R90

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Los subíndices de R  indican los ángulos son respecto a la dirección de laminación de la hoja. En la siguiente tabla se ven valores característicos de  R prom . Tabla 1: Valores característicos de R para varios metales laminados.

La relación experimental entre  R prom y la relación límite de embutido se ve en la Figura 5. Ninguna otra propiedad mecánica del metal laminado muestra una dependencia tan consistente respecto a la RLE como  R prom . Así, mediante el resultado de una prueba de tensión y el cálculo de la anisotropía normal de la lámina metálica, se puede determinar la relación límite de embutido de un material.

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Figura 5: Relación entre anisotropía normal promedio y la relación límite de embutido para diversos metales laminados.

3. Borde ondulado y anisotropía planar En la embutición las orillas o bordes de las depresiones se pueden volver onduladas; a este fenómeno se le denomina borde ondulado u orejas. Esta condición se debe a la anisotropía planar de la hoja. Se define en términos de valores direccionales de R, con la ecuación:

Cuando ∆ R = 0 no se forman orejas. La altura de éstas aumenta al incrementar ∆ R . La cantidad de ondulaciones que se forman puede ser dos, cuatro u ocho. Las orejas son indeseables en las depresiones embutidas, porque hay que recortarlas y se producen mermas. Se puede ver que la capacidad de embutición profunda aumenta con un valor alto de  R prom y bajo de ∆ R . Sin embargo y en general, los metales laminados con  R prom alto también tienen valores altos de ∆ R . Se están desarrollando texturas de metal laminado para mejorar la capacidad de embutición controlando el tipo de los elementos aleantes en el material, al igual que diversos parámetros del proceso durante el laminado de la hoja.

4. Fuerza La fuerza de embutido requerida para realizar una operación dada se puede estimar aproximadamente mediante la fórmula:  D F  = π   D p t (TS )( b  D p

− 0.7)

Donde F = fuerza de embutido, Ib (N); t = espesor original de la forma, pulg (mm); TS = resistencia a la tensión Ib/pulg 2 (MPa),  Db y  D p son los diámetros del disco inicial y del punzón, respectivamente, en pulg (mm). La constante 0.7 5

es un factor de corrección para la fricción. La ecuación anterior estima la fuerza máxima en la operación. La fuerza de embutido varía a través del movimiento hacia abajo del punzón, alcanzando usualmente su valor máximo a una tercera parte de la longitud de la carrera. La fuerza de sujeción es un factor importante en la operación del embutido. Como una primera aproximación, la sujeción se puede fijar en un valor = 0.015 de la resistencia a la fluencia de la lámina de metal. Este valor se multiplica por la porción del área de la forma inicial que será sostenida por el sujetador. En la forma de la ecuación, F h

=

0.015Y π  ( D 2b

− ( D p +

2.2t  + 2 Rd  ) 2 )

Donde F h es la fuerza de sujeción en embutido, lb; Y esfuerzo de fluencia de la lámina de metal, lb / pu lg 2 ; t espesor inicial del material, pulg;  Rd  radio de la esquina del dado, pulg; los otros términos se definieron anteriormente. La fuerza de sujeción es usualmente una tercera parte aproximadamente de la fuerza o embutido.

5. Practica de la embutición profunda Se han establecido ciertos lineamientos para conseguir una buena embutición profunda. En general, se escoge la presión del sujetador de material blanco para que sea de 0.7 a 1.0% de la suma de la resistencia de fluencia y la resistencia última del metal laminado. Si la fuerza en el portapiezas es muy alta, aumenta la fuerza del punzón y se provocan desgarramientos en la pared de la taza; por otra parte, si la fuerza en el portapiezas es muy baja, se producen arrugas. Las holguras suelen ser entre un 7 y un 14 por ciento mayores que el espesor de la lámina. Si son muy estrechas, puede ser que la lámina tan sólo se perfore o corte el punzón. Los radios de tangencia del punzón y la matriz también son importantes. Si son demasiado estrechos, pueden causar fracturas en las esquinas; si son demasiado grandes, la taza se pliega (fruncido). Con frecuencia, es necesario emplear cordones de estampado para controlar el flujo de la pieza bruta que entra a la cavidad del dado. Éstos restringen el flujo de la lámina, porque la doblan y desdoblan durante el estampado; con ello aumentan la fuerza necesaria para jalar la lámina hacia el centro del dado. También ayudan a reducir las fuerzas que se requieren en el sujetador de material en bruto, porque la lámina con canal tiene una rigidez mayor, y por consiguiente presenta menor tendencia a plegarse. Los diámetros de los cordones de embutición pueden ser de 13 a 20 mm. Para evitar que se rasgue la lámina metálica durante el formado, es importante incorporar factores tales como: radios grandes de dado; lubricación efectiva; diseño y ubicación de los cordones de embutición; desarrollo del tamaño y la forma correctos de la pieza en bruto; el recorte de esquinas de láminas cuadradas o rectangulares, a 45º para reducir los esfuerzos de tensión durante la embutición, y usar láminas en bruto libres de defectos internos y externos. 6

5.1. Planchado 

Si la holgura es grande, la depresión embutida tendrá paredes más gruesas en su borde que en su base. La razón es que el borde consiste en material procedente del diámetro exterior de la lámina bruta, que se reduce más que el que forma el resto de la pared. En consecuencia, la depresión tendrá espesor no uniforme. El planchado es un proceso en el que el espesor de la pared de una depresión se hace uniforme, empujándola a través de anillos planchadores.

Figura 6: Planchado para obtener un espesor más uniforme de la pared en una parte embutida: 1) inicio del proceso y 2) durante el proceso.

5.2. Reembutición 

Los recipientes o contenedores muy difíciles de embutir en una operación suelen pasar por un reembutición. Por la constancia de volumen, la depresión de embutición se alarga a medida que se vuelve a embutir a diámetros más pequeños. En la reembutición inversa, la depresión (taza) se coloca boca abajo en el dado y se sujeta así al doblez en dirección opuesta a su configuración original.

Figura 7: Reembutido de una copa: 1) inicio del reembutido y 2) final de la carrera. 7

5.3. Embutición sujetador del metal en bruto 

También se puede hacer una buena embutición profunda sin un portapiezas, siempre que la lámina metálica sea lo suficientemente gruesa como para evitar pliegues. Un intervalo normal es: D0 - Dp < 5T Donde T es el espesor de la lámina. Los dados tienen contornos especiales para esta operación. 5.4. Desplegado 

Es una combinación de corte y doblado, o corte y formado, en un solo paso para separar parcialmente el metal de la lámina. Entre otras aplicaciones, el desplegado se usa para hacer rejillas en las partes de metal para ventilar el calor del interior de los gabinetes eléctricos. 5.5. Acuñado y estampado 

Es una operación de deformación volumétrica, se usa frecuentemente en el trabajo de láminas metálicas para formar indentaciones y secciones levantadas de la parte. La indentación produce adelgazamiento de la lámina metálica y las elevaciones de las secciones producen engrosamiento del metal. El estampado es una operación de formado que se usa para crear indentación en la lámina, como venas, letras o costillas de refuerzo que se describen en la Figura 8. Se involucran algunos estiramientos y adelgazamientos del metal. Esta operación puede parecer similar al acuñado (gravado). Sin embargo, los dados de estampado poseen contornos y cavidades que coinciden, el punzón contiene los contornos positivos y el dado los negativos, mientras que los dados de gravado pueden tener cavidades diferentes en las dos mitades del dado, por este motivo las deformaciones son más significativas que el estampado.

Figura 8: Estampado, sección transversal de la configuración del dado y punzón durante el prensado.

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5.6. Realzado 

El realzado, también denominado repujado o gofrado, es una operación que consiste en embuticiones superficiales o moderadas hechas con dados macho y hembra correspondientes. Se usa principalmente para dar rigidez a tableros planos, así como para decoración. 5.7. Lubricación 

En la embutición profunda, la lubricación hace disminuir las fuerzas, aumentar la capacidad de embutición y reducir los defectos en las piezas, así como el desgaste de las herramientas. En general, se debe mantener al mínimo la lubricación del punzón, porque la fricción entre éste y la depresión formada mejora la capacidad de embutición, al reducir los esfuerzos de tensión en la taza o depresión. Para las aplicaciones generales, los lubricantes de uso común son los aceites minerales, soluciones de jabón y emulsiones para trabajo duro. Para aplicaciones más difíciles se usan recubrimientos, cera y lubricantes sólidos. 5.8. Herramientas y equipo para embutir 

Los materiales más comunes para herramientas y dados en la embutición profunda son los aceros para herramientas y fundiciones de hierro, aunque también se pueden usar otros materiales, como carburos y plásticos. El equipo para el embutición profunda suele ser una prensa hidráulica de doble acción, o una prensa mecánica. Se prefiere más esta última, por su alta velocidad del punzón. La prensa hidráulica de doble acción controla en forma independiente el punzón y el sujetador de pieza. En general, las velocidades de los punzones varían entre 0.1 y 0.3 m/s. Las fábricas modernas están muy automatizadas. Por ejemplo, una sola planta puede producir hasta 100000 cartuchos de filtro automotriz por día. Las piezas de lámina en bruto se alimentan y transfieren en forma automática en dedos mecánicos controlados por robots. El rociado de lubricante se sincroniza con la carrera de la prensa, y las piezas se suelen transferir con dispositivos magnéticos o por medio de vacío. Hay sistemas de inspección que vigilan toda la operación de embutición.

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