Informe 3- Conformado mecanico

Miguel A. Ayala Informe 3 GR4 09/05/2014

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Tecnología de Conformado

Tema: Conformado Mecánico por Deformación Plástica Objetivos: Conformado Mecánico División de Conformado Mecánico Conformado Mecánico por deformación Plástica Ensayo de Tracción Procesos por Compresión Directa Procesos por Compresión Indirecta Cálculos de Deformación Ingenieril Cálculos de Deformación Real Cálculos de Recuperación Elástica Cálculos de Relación de Extrusión Cálculos de la Relación de Velocidades de Extrusión Directa

1

Miguel A. Ayala Informe 3 GR4 09/05/2014

Marco Teórico El conformado mecánico comprende los procesos de fabricación de piezas mecánicas o sea dar forma a un material de manera que cumpla cierto funcionamiento en una máquina, de entre una amplia en la carrera se enfatizan cuatro: virutaje, fundición, soldadura y por deformación plástica. (fig.1)

Fig.1”Clasificacion del Conformado Mecánico”, http://es.scribd.com/doc/75201046

En el proceso de fundición se obtienen piezas mediante el colado de metales o aleaciones fundidas en un molde. El volumen de la pieza (Vf) es mayor al volumen del molde (Vo), esto se debe a la contracción que sufre el metal durante su solidificación luego de la fundición se realiza un recocido de homogenización. 2

Miguel A. Ayala Informe 3 GR4 09/05/2014

En el proceso de soldadura se obtienen piezas por la unión de otras mediante un metal que se funde y solidifica (suelda) adosando ambas piezas. El volumen de la pieza obtenida (Vf) es mayor al volumen de las piezas primitivas (Vo) debido a que la suelda también aporta con su volumen, luego de la soldadura se procura un recocido total. En el proceso de virutaje se obtiene una pieza mediante maquinada, en el que se realiza un vaciado de material dando la forma a la pieza requerida. El Vo > Vf, ya que al retirar material se reduce su volumen. En conformado mecánico por deformación plástica se obtiene la pieza alterando la sección del material usando fuerzas exteriores dándole la forma requerida, a diferencia de los otros procesos no existe variación de volumen y se tiene un buen acabado. Este proceso se clasifica por temperatura de recristalización y por solicitaciones mecánicas. La primera clasificación se obtiene la pieza mediante esfuerzos mecánicos revisados con anterioridad. Las piezas obtenidas por “temperatura de recristalización”, se denominan así porque se trabaja el metal en frio o caliente, y para saber cómo se está trabajando se toma en consideración la temperatura a la que se realiza el recocido de recristalización; por ejemplo el acero tiene un rango de recristalización entre los 700 y 500 grados Celsius, entonces a temperaturas mayores 700 C se trabaja en caliente y a temperaturas menores de 500 C en frio, lo mismo sucede con el plomo con un rango de 10 C a -10 C. Se trabaja en caliente cuando se requiere grandes reducción de sección además que es un proceso más costoso por el gasto de energía. Se trabaja en frio cuando se requiere controlar mejor el estrecho del tocho pero su aplicación tiene un límite ya que hasta cierto punto el 3

Miguel A. Ayala Informe 3 GR4 09/05/2014

material se torna frágil y puede quebrarse. Para la producción industrial o en serie se demostrado en la práctica que es conveniente realizar un fusión de procesos en caliente y en frio porque se obtienen mejores resultado y se reducen costos.(fig.2)

Fig.2”Conformado Mecánico por solicitaciones mecánicas”, http://es.scribd.com/doc/75201046

“Ensayo de tracción” mediante una muestra se obtiene propiedades del material (ensayo normalizado). El material se somete esfuerzos mecánicos por lo que sufre deformaciones en dirección de la fuerza aplicada, se obtiene datos de las deformaciones mediante un extensómetro o escala graduada y se obtienen los datos de las fuerzas aplicadas mediante dinamómetro, como es un ensayo se determinan propiedades de los datos obtenido y se pueden expresar en graficas como “esfuerzos-deformación” .

4

Miguel A. Ayala Informe 3 GR4 09/05/2014

Primero tenemos la curva fuerza desplazamiento, en la que se puede observar el comportamiento del material, en la figura 3 tenemos la fuerza de fluencia, esta se caracteriza porque luego de este punto el material ya no se recupera elásticamente y la proporcionalidad

de

la

gráfica

desaparece

luego

de

este

punto.

Fig3”Grafica Fuerza-Desplazamiento” http://es.scribd.com/doc/16668578/RESISTENCIA-DEMATERIALES

5

Miguel A. Ayala Informe 3 GR4 09/05/2014

A partir del punto de fluencia el material comienza deformarse permanentemente y siendo su máximo, el punto de ruptura donde el material alcanza su máxima deformación y se rompe por la acción de la fuerza. Los gráficos son exclusivos para cada material por lo que se utilizan las fórmulas de deformación y esfuerzos, se tienen: Esfuerzo:

s -Ingenieril [s]:

-Real

 

fuerza _ inicial Fi  Area _ Inicial Ao

 :

fuerza _ inicial Fi  Area _ Instantane a Ai

Deformación:

e -Ingenieril [e]:

-Real

 

Variación _ de _ longitud l  longitud _ inicial lo



li    li  l 

  ln  :

Con las formulas dadas se pueden calcular ciertos datos y se pueden establecer relaciones para realizar diferentes gráficos, se tiene “Esfuerzo real-Deformación Real” (fig.4). La grafica de la curva nos da las zonas en el que el material adquiere diferente características (fig5).

6

Miguel A. Ayala Informe 3 GR4 09/05/2014

Fig.4 “Grafico Esfuerzo- Deformación Real” http://blog.utp.edu.co/metalografia/files/2011/05/img-2.gif

En el graficoFig.5“Comportamiento podemos notar la presencia de tres que son: del Material porzonas zonas” http://es.scribd.com/doc/75201046/Informe-3 La primera, zona elástica, es aquella en la que trabajan todas las ingenierías, el cuerpo se comporta completamente elástico, la gráfica ingenieril y real se comportan casi iguales. La segunda es la zona plástica aquí la gráfica ingenieril y la real ya tienen diferencia notables, esta es la zona en la que se trabaja el conformado por deformación plástica, el cuerpo tiene un comportamiento semielástico ya que sufre deformación. La tercera es la zona de fractura o estricción, aquí no es posible realizar ningún trabajo ya que tenemos un material con figurado e inestable, el material se deforma hasta llegar a tener 7

Miguel A. Ayala Informe 3 GR4 09/05/2014

fisuras microscópicas internas por toda su estructura generando vacíos internos y se deforma hasta el punto de fractura. El área comprendida por la zona uno es el área de elasticidad, el área comprendida por la zona uno y dos es el área de plasticidad o rigidez y la que comprende las tres zonas es el área de tenacidad. Los procesos de conformado mecánico por deformación plástica por solicitaciones mecánica de compresión son directos e indirectos. En los directos se tiene fuerzas internas de compresión o deformación y

deben ser

aplicadas perpendicularmente al flujo de material, la forja es un método de compresión directa y se clasifica en: Forja alternativa es un proceso directo de compresión directa por solicitaciones mecánicas que puede ser utilizado en frio o caliente con el fin de reducirla sección del tocho mediante fuerzas externas por martillaje, martinete, prensas y maquinarias forjadoras. Forja rotativa es un proceso directo de compresión directa por solicitaciones mecánicas que se trata de hacer pasar el material por unos rodillos giratorios cuya separación entre los dos sea menor a la sección de la pieza y por lo tanto éste reduzca su sección al pasar por estos. (fig.6)

8

Miguel A. Ayala Informe 3 GR4 09/05/2014

Fig.6”Forja rotativa” http://www.scielo.org.co/img/revistas/iei/v27n1/1a13f7.jpg

En los procesos indirectos la fuerza interna es única no deforma el material, sino que lo traslada además deforma indirectamente por la reacción de la herramienta, la fuerza aplicada es paralela al flujo de material. La extrusión es un proceso indirecto de compresión por solicitaciones mecánicas que se basa en el paso de un material dúctil a través de un orificio llamado matriz para formar una pieza de forma definida y sección constante.

Fig.7”Trefilado Mecánico” http://html.rincondelvago.com/000247551.png

El trefilado es un proceso indirecto de compresión por solicitaciones mecánicas que procede a hacer pasar un a alambrón por un orificio cónico que progresivamente disminuye su sección hasta el grosor requerido. (fig.7) Descripción de la Práctica. 9

Miguel A. Ayala Informe 3 GR4 09/05/2014

En el proceso de forja alternativa se utiliza una prensa de tornillo, para colocar una matriz con un émbolo y una base. Se coloca en la placa de aluminio en el centro de la matriz y se toman tres deformaciones haciendo girar 4,5 y 6 vueltas la manivela de fuerza; para esto se baja el émbolo hasta que presione el material. En el proceso de forja rotativa al material con un laminador tipo DUO, el cual consta de dos rodillos. Primero se comprueba que los rodillos estén paralelos. Se hace subir dos vueltas a los rodillos y luego se toman las deformaciones del material cada octavo de vuelta hasta completar las dos vueltas. Cuando la lámina se torna muy frágil se realiza un revenido de cristalización para volver a darle al material sus propiedades iniciales, para esto el horno debe estar a una temperatura de 470ºC y con un tiempo (t)= 5 min, a pesar que no es el tiempo ni la temperatura en la práctica sea comprobado que es equivalente. Trefilado: Se usa una matriz donde se coloca la mordaza, dados y como material una varilla de aluminio. Se toman las medidas del diámetro inicial de material y se verifica el número del dado. Para esto se va a hacer una deformación. Se sujeta la parte agusada en la mordaza y se sube el cabezal logrando que el material pase por el dado, una vez realizado este proceso se toma la medición del diámetro final. Extrusión Directa: Se empleó un embolo sólido y un contenedor (se coloca el material a ser extruido). Se hará pasar el material por 1 dado dividido en 2 partes, se coloca el dado en la parte inferior de la matriz

10

Miguel A. Ayala Informe 3 GR4 09/05/2014

El tocho es el plomo, se coloca el material en el contenedor, sobre él se coloca un pistón, que sirve para evitar el daño del embolo, a temperatura ambiente se trabaja el plomo en caliente. En cada cara se ha trazado una cuadricula que se denomina grilla, que sirve para determinar la deformación del material, este es el método más fácil y económico que existe. Sobre el material se coloca el contenedor en la matriz, se baja el cabezal presionando el material, el cabezal se baja de tal forma que lo obligue al material a pasar por el dado, con ayuda de un espejo observamos que es lo que pasa con el pistón al momento que pasa por el dado. El material fluye en la misma dirección de la Fuerza, el material recorre por el contenedor y el dado esta fijo, hay una parte del material que fluye con mayor velocidad, es por eso que los puntos se empiezan a abrir, para retirar al material del contenedor hay que sacar el dado para no tener obstáculo. Posteriormente se mide las distancias desde una grilla referencial hasta la primera línea en deformarse, desde la misma referencia hasta la línea con mayor deformación se mide el diámetro deformado. Extrusión Inversa: Se emplea un tocho de plomo entero, un embolo hueco, un contenedor que esta fijo a la matriz, un dado en forma de cruz y una placa que se coloca bajo el contenedor para evitar que se pase el material Se coloca el material en el contenedor y sobre el material si coloca el dado, se baja el cabezal hasta que se presione, en este caso el material esta fijo y el dado recorre por el contenedor. Tabla de datos obtenidos Datos obtenidos 11

Miguel A. Ayala Informe 3 GR4 09/05/2014

Ensayo de tracción Material: Aluminio de alta resistencia Lo= 2” D= 0.505” F (Lb) 0 4.000 8.000

L (pulg) 2 2.0041 2.0079

10.500 12.050 13.120

2.0103 2.0112 2.0142

14.100 15.000

2.0202 2.0503

15.700 15.950 16.000

2.099 2.1 2.1201

15.900 15.700 14.900

2.1305 2.2 2.4

14.000

2.7

Forja Esp(o)= 3,25mm Vueltas

5 vueltas

6 vueltas

7 vueltas

Espesor (mm)

3

2.45

2.35

Laminación Espesor inicial =3.25 mm # de Vueltas ¼ ½

Espesor (mm) 2.80 2.50 12

Miguel A. Ayala Informe 3 GR4 09/05/2014

¾ 1 1 1/8 1 1/4 1 3/8 1½ 1 5/8 1¾

2.10 1.70 1.40 1.30 1.20 1 0.75 0.70

Extrusión Directa: Tocho de plomo Diámetro 30,6 mm Inicial Diámetro 21,7 mm Final Grilla central

Longitud externa

15.35 mm

Longitud interna

12.15mm

Extrusión inversa Do= 20.7 mm Df= 21.8 mm Trefilado Do= 6.85mm Df= 6.15 mm Tabla de datos calculados Datos calculados

13

Miguel A. Ayala Informe 3 GR4 09/05/2014

Esfuerzo

Esfuerzo

Deformación

Deformación

Recuperación

Relación de

Ingenieril

Real

Ingenieril

Real

elástica

velocidades

S=

F Ao

¿

F Ai

e=

l lo

¿ ln

li li−1

Ai=

A−Ao Vcentro l 1 ∗100 = Ao Vexterior l 2

Ensayo de tracción

Fuerza en libras(F)

Long. en pulg. (L)

0,00 4,00 8,00 10,50 12,05 13,12 14,10 15,00 15,70 15,95 16,00 15,90 15,70 14,90 14,00

2,0000 2,0041 2,0079 2,0103 2,0112 2,0142 2,0202 2,0503 2,0990 2,10 2,1201 2,1305 2,200 2,400 2,700

Incremento (ΔL)

Esfuerzo Ingenieril (S)

Deformació n Ingenieril

0,0000 0,0041 0,0079 0,0103 0,0112 0,0142 0,0202 0,0503 0,0990 0,1000 0,1201 0,1305 0,2000 0,4000 0,7000

0,0000 19,9704 39,9409 52,4224 60,1609 65,5030 70,3958 74,8891 78,3839 79,6321 79,8817 79,3824 78,3839 74,3898 69,8965

0,0000 0,0021 0,0039 0,0051 0,0056 0,0071 0,0101 0,0252 0,0495 0,0500 0,0600 0,0653 0,1000 0,2000 0,3500

Esfuerzo Deformación Real (Ϭ) Real (Є) 0,00 20,01 40,10 52,69 60,50 65,97 71,11 76,77 82,26 83,61 84,68 84,56 86,22 89,27 94,36

Forja l Deformación ingenieril= [e= lo ]

Deformación real = [

Vueltas

¿ ln

li li−1 ]

Deformación ingenieril 14

Deformación real

0,0000 0,0020 0,0019 0,0012 0,0004 0,0015 0,0030 0,0148 0,0235 0,0005 0,0095 0,0049 0,0321 0,0870 0,1178

Ai 0,2003 0,1999 0,1995 0,1993 0,1992 0,1989 0,1983 0,1954 0,1908 0,1908 0,1889 0,1880 0,1821 0,1669 0,1484

Miguel A. Ayala Informe 3 GR4 09/05/2014

5 6 7

0.0769 0.1692 0.0307

0.0800 0.2025 0.0416

Laminación

Vueltas

Deformación Ingenieril

Deformación Real

¼

0,1385

0,1490

½

0,2308

0,1133

¾

0,3538

0,1744

1

0,4769

0,2113

1 1/8

0,5692

0,1942

1 1/4

0,6000

0,0741

1 3/8

0,6308

0,0800

1½

0,6923

0,1823

1 5/8

0,7692

0,2877

1¾

0,7846

0,0690

Extrusión directa V2/V1= 1.2633 Área de la pieza= πr2 = 735.415 mm2 Área del dado= πr2 = 373.2526 mm2

15

Miguel A. Ayala Informe 3 GR4 09/05/2014

R . elá st .=

Apieza− Adado ×100 , Adado

R= 97.028% Extrusión inversa Área de la pieza =

ᴨD ² 4 = 683.492 mm²

Área del dado= A cuadrado +2 A circunferencia Área del dado= 4*(9.6²) + 2 (ᴨ*10.35²) Área del dado=1041.7105 mm² Recuperación Elástica R=

Apieza−Adado × 100 , Adado

R= 34.3875% Análisis de datos Revisando los datos obtenido en el ensayo de tracción el esfuerzo ingenieril es muy cercano al real por lo que el modelo matemático cumple muy bien la aproximación, más esto no pasa con la deformación puesto que son valores muy diferenciados lo que muestra que la práctica se realizó con margen de error alto. En las deformaciones calculas en la práctica de forja su valores no son tan diferente, por lo que la práctica resulto exitosa, ya que estos valores son bastantes.

16

Miguel A. Ayala Informe 3 GR4 09/05/2014

Los resultados obtenidos en la práctica de forja rotativa también son incoherentes lo que demuestra que existe un error de cálculo o los valores obtenidos en la práctica son erróneos. Conclusiones Los procesos de contracción directos son muy eficientes si lo que se busca es reducir la sección del material para acoplarlo a su funcionamiento. Los procesos de contracción indirectos son muy eficaces si nuestro objetivo es obtener piezas con mejores acabados y detalles. Como se pudo apreciar en el plomo, resulta conveniente trabajar en caliente en metal si necesitamos realizar extrusión o extrusión inversa. Con los datos obtenidos se concluye que hubo defectos en la toma de datos y en la realización de la práctica. La recuperación elástica en la extrusión directa puede resultar perjudicial, ya que para crear un mecanismo funcional, se requiere exactitud y precisión y la variación de volumen podría Resultar inconveniente. En ingeniería mecánica se debe priorizar deformaciones no elásticas, sino permanentes y con bajo índice de recuperación. Obviamente se corroboro que el volumen inicial es igual al volumen final pero la masa estuvo en una forma definida. Recomendaciones

17

Miguel A. Ayala Informe 3 GR4 09/05/2014

Para la producción en serie de piezas mecánicas conviene combinar procesos en caliente y en frio. Si se realiza la práctica con plomo es recomendable no tener el laboratorio a altas temperaturas debido a bajo rango de temperatura para el revenido de recristalización. Se recomienda realizar gráficas para mejorar el entendimiento de las propiedades del metal. Procurar que el material ingresado esté lo más perpendicular al embolo o lo más paralelo a la laminadora para que así no existan deviaciones en la deformación del metal. Es prudente que se considere tratamientos térmicos para mejora las condiciones de los materiales deformados. Bibliografía http://es.wikipedia.org/wiki/Ensayo_de_tracci%C3%B3n http://es.scribd.com/doc/16668578/RESISTENCIA-DE-MATERIALES http://es.scribd.com/doc/75201046/Informe-3 http://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/1504/1/CD-0830.pd

18