JCCHIWC 270

Prof.: Juan C. Chávez

Procesos de Manufactura I - IWC 270

CMAT- UTFSM

Procesos de Conformado de Chapa Metálica

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Procesos de Manufactura

Assembly

Ingot

casting

Molten

Material

Powders

Casting

Shapes

RollingForging/

Press forming

Estampado

Pressing

Conformado

De Chapa

Continuous

Casting/Rolling

Injection

Molding

Machining

Finishing

Raw

Material

Special

Extruding

Single crystal

pulling

Firing/

Sintering

SLS

Increasing level of detail

Blow

moldingEsta Presentación

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Corte/Punzonadode Chapa

(a) Ilustración del corte de chapa con un punzón y matriz, indicando algunas de lasvariables del proceso. (b) Aspecto característico de la chapa punzonada y (c) trozo eliminado.

Nota: la escala de las figuras es diferente.

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Ajuste Matriz-Punzón

(a) Efecto del ajuste, c, entre el punzón y la matriz en la zona de deformación por corte. Según se aumenta el ajuste, el material tiende a entrar a la matriz más que a ser cortado. En la práctica, el rango de ajustes va de 2% a 10% del espesor de la chapa.

(b) Perfiles de microdureza (HV) para la zona de corte de una chapa con 6.4mm (0.25-in) de espesor, de acero AISI 1020 laminado en caliente

Fuente: H. P. Weaver and K. J. Weinmann.

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Conformado por Doblado

• El mas común de los procesos de conformado

• Tamaños desde milímetros (e.g. disc drives) a decenas de metros (buques)

• Formas desde doblado simple (ángulosrectos) hasta doblado de tubos en variedad de secciones rectas

• Varios procesos para hacer el doblado

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Conformado por Doblado

• Ventajas– Fácil de hacer– Herramientas simples y de bajo costo– Con buena precisión

• Desventajas– Limitado en las formas que se pueden

alcanzar– Recuperación elástica -Spring back- difícil

de estimar– Algunos materiales son difíciles de doblar

sin que aparezcan problemas

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Conformado por DobladoTerminología

El radio de doblado (bend radius) se mide en la superficie interna de la pieza doblada.

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Fórmula para el doblado• Límite del Doblado

L = αααα (R + kT)donde

• αααα es el < de doblado en rad

• L es el límite de doblado

• R es el radio de doblado

• T es el espesor

• k es una cte. (va de 0.33 { R<2T} hasta 0.5 {R>2T})

• Eje Neutro– Se ubica donde la deformación ingenieril es cero – Si está en el centro de la lámina, k = 1/2 y

entonces– Límite de doblado = αααα(R + T/2)

• Deformación Ingenieril– ε ε ε ε = ((2R/T) + 1)-1

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Radio Mínimo de Doblado

• Al doblar un material, la deformación en tracción de la zona externa aumenta hasta quese agrieta.

• Las condiciones de doblado para alcanzar estafalla se asocian al radio de doblado con el cualaparecen grietas o roturas.

• El Radio Mínimo de Doblado(RMD) es aquel con el el cual aparece la grieta.

• Esta condición de falla se describe en términosdel espesor del material de la chapa

• I.E> el RMD es 1T, 2T, 5T, 10T etc.

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Ductilidad y RMD

Existe una relación entreel RMD y la ductilidad, expresada como el % de reducción de área en tracción , r

– RMD = T(50 / r - 1 )

– Para r = 50%, RMD = 0– A más baja ductilidad

(menor reducción de área) el RMD es mayor

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RMD para Materiales

Material CondiciónSoft Hard

Aleaciones de Al 0 6TCobre Berilio 0 4TBronces-bajo Pb 0 2TMagnesio 0 13TAceros Inoxs 0.5T 6TAceros bajo C ,etc. 0.5T 6TTitanio 0.6T 3TTitanio- aleaciones 2.6T 4T

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Fuerza máxima de doblado

F = k Y L T2 / W , excluyendo fricción– donde

• F es la fuerza de doblado

• Y es el esfuerzo de fluencia del Material

• L es el largo en la dirección de doblado

• T es el espesor del material

• W es el ancho del dado o matriz de doblado

• k es una constante que depende de la forma de la matriz de doblado

También depende de la posición del punzón durante su aplicación

Pag. 511 apuntes.

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Capacidad de Doblado

• También depende de – Condición de los bordes de la lámina

• Menor capacidad con bordes irregulares

– Cantidad y forma de las inclusiones• Inclusiones con forma tipo Stringers más

problemáticas que las de forma globular

– Cantidad de trabajo en frío en los bordespor corte previo

– Anisotropía– Modulo Elástico – fenómeno de

recuperación o “springback”

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Influencia de las inclusiones en grietas de doblado

(c)

(a) (b)

(a) y (b) Efecto de las inclusiones alargadas

(stringers) en la aparición de grietas, en

función a la dirección de doblado con respecto

a la dirección de laminado inicial de la chapa.

(c) Grietas en la superficie externa de una lámina

de aluminio doblada en 90º. Nótese el

adelgazamiento de la superficie superior por

Poisson.

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Recuperación Elástica (Springback)

• Causado por el comportamiento elástico del material de la pieza.Ri / Rf = 4(Ri Y / E T)3 - 3(Ri Y / E T) + 1– donde

• Ri es el radio de doblado requerido.

• Rf es el radio de doblado real.

• Y es el esfuerzo de fluencia

• E es el módulo elástico

• T es el espesor del material

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Recuperación Elástica- Springback

• Puede compensarse con– Doblado en exceso (a) and (b)– Aplicando esfuerzos de compresión a la zona

doblada (c) y (d)– Doblado/formado con estirado– Aumentando la temperatura (chapa recocida)

Figure 16.20

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Procesos de Doblado

Operaciones comunes

de doblado en matriz,

donde se muestra la

abertura de la matriz,

W, que se usa para el

cálculo de las fuerzas

de doblado

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Doblado con Prensas

De (a) hasta (e) varias operaciones de doblado de chapa posibles de ejecutar con una prensa(f) Prensa para doblado de Chapa

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Otros procesos de Doblado

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Procesos de Doblado

• Doblado con rodillos– Consiste en laminar una hoja métálica con

rodillos especiales que doblan el material respecto la eje de los rodillos (e.g. canal en U, cilindrado de láminas )

– Para formas largas y angostas. – El Material se dobla incrementalmente– Pasos múltiples con rodillos de distintas

formas (o ajustables) permiten conseguirla forma final buscada.

– Las formas típicas pueden ser redondas(tubos) como cuadradas o rectangulares, (canaletas, marcos).

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Formado con rodillos

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• Rodonado- Beading – Borde termina en un tubo– Elimina bordes agudos– Refuerza el borde– Se puede hacer por formado

con rodillos o empujando la chapa en una matriz ad hoc.

• Flanging– Shrink– Stretch

• Dimpling– Usado para hacer flanches

a partir de chapa

Figure 16.24

Otros Procesos de Doblado

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Otros Procesos de Doblado

• Perforado-Piercing– Crea hoyos– Proceso de partida para flanches

• Flaring

• Plegado- Hemming– Forma un pliegue de

material en el borde de corte– Da más resistencia al borde– Elimina bordes cortantes

• Emballetado - Seaming– Como el plegado pero el pliegue se hace

con 2 chapas, entrelazandolas para haceruna unión

Figure 16.23

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Doblado y Conformado de Tubos

• Doblado– Para Doblar tubos,

• Se debe primero rellenar la sección con – Arena

– Mandriles segmentados

• O usar doblado con estirado, o con embutido

– El material ( o proceso) en el interior del tubo, impide que colapse el radio interior del tubo.

• Bulging– Se usa para darle forma a tubos– Aplicado en T's de cañeriás de cobre, y en

coplas para soldadura.

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Doblado y Conformado de Tubos

Métodos para doblar tubos. Se usan mandriles internos o se rellenan los tubos con material particulado como la arena, para prevenir/impedir que el tubo colapse cuando se dobla. Con estas técnicas tambien se pueden doblar barras sólidas y formas estructurales

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(a) Bulging (expansión) de una parte tubular con un inserto/punzón (b) Producción de fittings para plomería por expansión de un trozo tubular de cañería aplicando presióninterna. La parte inferior es punzonada para obtener una "T."

Doblado y Conformado de Tubos

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Formado por estirado de chapa

Conformado por estirado de chapa (stretching) que se aplica en la fabricación de fuselaje

de Aluminio para aviones

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Procesos de Conformado de Chapa Metálica

• Doblado

• Embutido

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Embutido

• Como el corte de chapa pero con separación > espesor del material

• El Proceso– Ponga un trozo redondo de chapa sobre la

matriz– Sujete la chapa a la matriz– Haga que el punzón penetre en la matriz

• El metal se deforma llenando la matriz de embutido

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Embutido

(a) Esquema del proceso de embutido de una pieza de metal circular, una copa. El anillo (Stripper ring) facilita el retiro de la copa del punzón. (b) Variables de Procesoen embutido. Exceptuando la fuerza F en el punzón, todos los parámetros que se indican en la figura son variables independientes.

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Embutido

• Ventajas– Altas tasas de producción (e.g. latas)– Pueden hacerse partes imposible de

obtener por otros procesos.• Contenedores de todas formas y tamaños

• Desventajas– Limitado en formas– La calidad del material es crítica para

obtener las partes– Matrices de embutido son cara$

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• Fuerza aplicada en el sujetador de chapa– Muy alta - Se rompe la pieza– Muy baja - - la copa sale ondulada– La fuerza aplicada es 0.7 a 1 % del total de la

resistencia de fluencia y UTS de la pieza

• Radio/diámetro del punzón

• Diámetro de la chapa a embutir

• Espesor de la chapa

EmbutidoParámetros y Práctica

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EmbutidoParámetros y Práctica

• Ajuste entre el puzón y la matriz– Ajuste entre 1.07 a 1.14 del espesor– Muy Baja= Chapa perforada y no embutida

• Fricción/lubricación

• Radio de entrada en la matriz

• Radio en el puzón– Muy bajo – grietas en esquinas– Muy alto - ondulaciones

• Fuerza en el Punzón

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• Los estados de esfuerzos son complejos, fuerzas no son fáciles de calcular.– En el sujetador de la chapa

• Compresivas a través del espesor

• En tracción en el radio

• Compresivas (efecto poisson) en la circunferencia

– En la matriz• Mayormente tracción en la dirección del punzón

• También tracción en los ángulos rectos a la direccióndel punzón

• Los esfuerzos hacen que el material adelgace en la dirección del punzón y que encoja en la direcióncircunferencial de la matriz.

EmbutidoFuerzas y Esfuerzos

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Estado de Esfuerzos en Embutido

– Si la fuerza en el sujetador de la chapa no essuficiente para mantenerla fija, el material en esta parte ( borde) es empujado o succionadoa la matriz

El borde de la pieza embutida no queda

parejo, queda “arrugado”

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Capacidad de Embutido Profundo

• La capacidad de un material para ser sometido a embutido profundo es un fenómeno complejo.

• Un parámetro empírico importante es– Razón de Embutido Limitante (REL) dado por

REL = Diámetro máximo de la chapa

Diámetro del punzón

• El REL está relacionado a propiedadesfundamentales del material a ser embutido, a través de una propiedad llamada :– Anisotropía Normal o Plástica

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Anisotropía Normal

• La Anisotropía Normal, – R = Strain en ancho/strain en espesor– REL es proporcional a la anisotropía normal

promedio.

• Se mide midiendo las deformaciones en el ancho de una piezanormal de tracción.

Deformaciones en una pieza de ensayo de tracción sacada de unachapa metálica. Estas deformacionesse usan para determinar lasanisotropías normal y en el plano de la chapa metálica.

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Zinc alloys

Hot-rolled steel

Cold-rolled rimmed steel

Cold-rolled aluminum-killed steel

Aluminum alloys

Copper and brass

Titanium alloys (a)

Stainless steels

High-strength low-alloy steels

0.4–0.6

0.8–1.0

1.0–1.4

1.4–1.8

0.6–0.8

0.6–0.9

3.0–5.0

0.9–1.2

0.9–1.2

Rangos de R, Anisotropía Normal Promedio,

para Chapa de varios Metales

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Anisotropía

• La Chapa laminada es anisotrópica y R debemedirse en varias direcciones diferentes de la chapa.

– < de 45o a la dirección de laminado, R45

– Paralela a dirección de laminado, R0

– en < s rectos(90º) a la dirección de laminado, R 90

• Tipicamente R avg se calcula a partir de estostres valores

– R avg = (R0 + 2R45 + R90)/2

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REL y Anisotropía

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Anisotropía Planar

• Si R0 y R90 son diferentes, la chapa NO se deforma igual en diferentes direcciones de el proceso de embutido.

• Esto causa un defecto conocido como “orejas”– El borde superior de la copa no va a estar en un

mismo plano , quedando con ondulaciones(orejas)

– Estas deben ser eliminadas generando scrap– Criterio de formación :

∆∆∆∆R = (R0 - 2 R45 + R90)/2 Donde R es the Anisotropía Normal y los

subíndices dan la dirección en la cual R se mideen relación a la dirección de Laminación.

– Las “orejas” aparecen si ∆∆∆∆R no es cero

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Copa embutida con “orejas”

Orejas en una copa de acero embutida.Son causadas por la anisotropia planar de la chapa empleada en el proceso

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• El Flujo entre la matriz y el punzón es similar al observado en trefilación.

• Bajo el “sujeta chapa” el movimiento del metal es menory es uniforme

• En productos que no son circulares el flujo llega a ser no uniforme

• Para controlar el flujo en productos que no son circulares

se usa

- Cordones Guiadores de flujo (beads)• El doblado y enderazamiento del metal mientras fluye,

incrementa la resistencia al movimiento del metal.

• Diseño y ubicación importantes para buenos productos

– Diseño apropriado del blanco inicial• Cortar las esquinas de blancos cuadrados a 45o

Flujo del Metal

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Flujo del Metal

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Resumen

• Doblado y Embutido son dos procesos importantes de conformado de chapa metálica con muchas ventajas y unas pocasdesventajas.

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Embutido de “Latas”