Una biela para auto F-1 se disea para forjado en caliente (600 C) en un dado (Matriz) impresor. El rea proyectada de la pieza es de 6500, mm2. El diseo del dado ocasionara la formacin de rebaba durante el proceso, as que el rea incluyendo la crez, ser de 9000, mm2. La geometra de la parte es compleja. El material es una aleacin de titanio (Ti-6Al-4V). Desarrolle las siguientes preguntas:a. Haga un boceto de la biela seleccionada por usted, con dimensiones a escala, caractersticas de la forma, dimensionamiento del alma, radio de las esquinas y filetes. Presente el esquema del diseo del proceso: plano de separacin (criterio de ubicacin), diseo del canal de rebaba (forma y dimensiones h, b, L); fuerzas y friccin actuantes. Precise el tipo de forjado en caliente (isotrmico o no) y justifique su criterio.b. Calcule es esfuerzo de fluencia relevante, la fuerza de forjado, la presin del interfaz y muestre la distribucin de la misma en un grfico con su respectivo anlisis de influencia en el proceso.c. Determine el trabajo de forja, la energa de forjado, la energa necesaria para deformar el material y la energa que debe suministrar un martinete mecnico que se encuentra nuevo y en ptimas condiciones de trabajo, calcule su masa, su eficiencia y estime la carrera necesaria del martinete. Evalu y analice el proceso si se realizase en una prensa hidrulica, o si fuese necesario otro tipo de martinete.d. Determine el material del dado (matriz), sus caractersticas, su dureza, la resistencia a la tensin y tipos de cargas a la que est sometido. Exponga y precise su criterio de seleccin. Indique el tipo de lubricantes a utilizar y a funcin del mismo en este caso especfico.

Declaracin de variables:

Datos de entrada:Biela de F-1.Forjado en caliente (600 C) con dado (matriz) impresor.rea Proyectada: 6500, mm2.rea incluyendo la crez: 9000, mm2.La geometra de la parte es compleja.Material: Aleacin de titanio (Ti-6Al-4V).

Solucin:Biela: La biela es una pieza interna de un motor de combustin interna. Su funcin es conectar el pistn al cigeal, se disea con una forma especfica para conectarse entre las dos piezas. Su seccin transversal o perfil puede tener forma de H, I o +. El material del que estn hechas es de una aleacin de acero o titanio o aluminio. En la industria automotor todas son producidas por forjamiento, pero algunos fabricantes de piezas las hacen mediante maquinadoLas bielas se disean con un perfil estructural tipo I, H y +. El perfil ms utilizado es el tipo I. Un motor de f1 multiplica por 3 el rgimen de giro de un motor de calle, multiplica por 4 su potencia, y la vida media pasa de 250.000 Km a 450 Km. Para alcanzar unas buenas aceleraciones es muy importante usar marchas muy cortas, pero por otro lado es muy importante alcanzar una buena velocidad punta luego tambin se necesita poder subir de vueltas lo ms alto posible.Las relaciones de las caja de cambio de un coche convencional dejan como desarrollo final 5 o 6 velocidad en torno a 36-41 Km/h por cada 1000 r.p.m., mientras que en un F1 la marcha ms larga est en torno a 16,5-20,5 Km/h cada 1000 r.p.m. lo que le asegura alcanzar velocidades entre 300 y 360 Km/h cuando se gira a unas 18.000 r.p.m. Luego en funcin de la aerodinmica y el par motor, la aceleracin y la punta sern mayores o menores.Para que un motor gire ms rpido basta con poner ms cilindros. Para una misma cilindrada el simple hecho de pasar de 6 a 10 cilindros, hace que la carrera de cada pistn (recorrido mximo del pistn en un ciclo entero de combustin) sea ms corta, luego la biela es ms corta, ms pequea en lnea general y ms ligera. Es lgico que se mueva por tanto ms rpido.

Aleacin de titanio Ti-6Al-4V: Se conoce como Ti6Al4V a la aleacin de titanio ms utilizada, tanto en aplicaciones biomdicas como industriales.La aleacin contiene aluminio y vanadio, segn la composicin: Ti6Al4V. El aluminio incrementa la temperatura de la transformacin entre las fases alfa y beta. El vanadio disminuye esa temperatura. La aleacin puede ser bien soldada. Tiene alta tenacidad.Se trata de una aleacin alfa-beta. Esta aleacin se produce en diferentes grados, siendo los ms usados los de grado: 5, 23 y 29. La variedad de grados est relacionada con la cantidad de oxgeno que tiene cada una de ellas y esto hace variar las propiedades mecnicas de la aleacin.Composicin qumicaC---- < 0,08%Fe---< 0,25%N2---< 0,05%O2---< 0,02%Al--- 5,5-6,76%V---- 3,5-4,5%H2 lmina < 0,015%H2 barra < 0,0125%Titanio Resto hasta completar 100%Propiedades fsicasDensidad: gr/cm3: 4,42Punto de fusin: C/F: 1649/3000Calor especfico: J/kg.cm: 560Resistencia elctrica: ohm.cm: 170Conductividad trmica: w/m.K: 7,2Coeficiente de dilatacin trmica: 0-100C/C: 8,6*10-6Propiedades mecnicasResistencia a la traccin: MPa: 896Mdulo elstico: MPa: 827Dureza Rockwell: C: 36Ductilidad (Alargamiento antes de rotura): 10%aR/=a partir del boceto desarrollado, tenemos un punto de partida para las caractersticas ms especficas del proceso, no obstante, es necesario un dimensionamiento adecuado el alma, a partir de la figura 9-25, Schey 3ed,p. 348, se observa que para un ancho mnimo del alma de 25mm, se debe corresponder a un espesor mnimo de aproximadamente 5mm.Con respecto al plano de separacin, se deben tener varias consideraciones: en primer lugar, este debe estar ubicado en el lugar donde se originan los esfuerzos mnimos en el servicio, es decir en la lnea neutra de la forja. Mediante un anlisis de la direccin de desplazamiento en el material bajo deformacin, se observa que posee un comportamiento caracterstico de la deformacin plana (debido a que una de las magnitudes de la pieza se mantiene relativamente constante, en este caso el largo de la pieza), lo cual se revela, haciendo una vista del flujo en la seccin transversal de la pieza.De aqu se observa que existen regiones del material, que tienden a presentar una mayor dificultad para el movimiento del material, la cual es la seccin encerrada en la imagen anterior, y mostrada aqu con ms detenimiento. Debido a la complejidad estructural presente en el llenado de esta seccin, ya que actan componentes de desplazamiento radiales y longitudinales, se deduce que esta es la regin de llenado ms difcil, y por lo tanto, el plano de separacin, dividir esta regin transversalmente en dos mitades iguales, por lo cual se concluye que el plano de separacin estar ubicado en el plano horizontal de simetra de la pieza.

Con respecto al canal de rebaba, se tiene en cuenta ciertas consideraciones de tipo geomtrico, en especial, las relacionadas con el cordn de rebaba (o cordn de matriz), es decir, la zona de la pieza forjada, en forma de franja perifrica de ancho constante obtenida entre las dos partes de los troqueles. Al producirse la unin de los troqueles, se produce una franja de espesor h y ancho b alrededor de la pieza forjada, y el material restante fluye a una zona ms perifrica separada de esta por el cordn, denominada alojamiento o canal de rebaba, de ancho L y espesor e.

La formacin de rebaba, permite evacuar el material sobrante producido en la forja de la pieza, dado que siempre se utiliza un exceso de material necesario (con el fin de producir el llenado de la matriz) y adems reducir las tensiones internas producidas en el material, cuando se somete a un proceso de deformacin.Para establecer las dimensiones apropiadas para el cordn de rebaba, es necesario estudiar la situacin provocada en el momento final de la deformacin, lo cual muestra la figura (tomada de Conformacin Plstica de Materiales Metlicos, Jess del Rio).Como se observa, las paredes del cilindro (y por tanto las del troquel) no son rectas, sino que poseen un ngulo (ngulo de salida), el cual es necesario para el fcil retiro de la pieza del troquel. No obstante, este ngulo es lo suficientemente pequeo en esta situacin, que puede suponerse igual a cero. Adems, debido a que es un proceso que acta a presiones moderadas, y con deformacin volumtrica, no es posible obtener aristas vivas en la pieza, por lo cual se asignan radios de redondeamiento o empalme en las bases del cilindro, los cuales se muestran en el boceto anterior.Los valores de p y q, para un material determinado y a una temperatura determinada, pueden calcularse a partir de las correspondientes curvas de umbrales de plasticidad, entrando en abscisas con los coeficientes Kp = 2r/d y Kr = /2 respectivamente, donde: Kp = coeficiente para la pieza, Kr = coeficiente para la rebaba. El coeficiente para la rebaba est dividido por 2 como consecuencia de que la deformacin de la rebaba por aplastamiento se produce en un solo sentido.La presin p tiene el efecto de transmitirse sobre la cara frontal del anillo de rebaba (de longitud rd y de altura ), con una prdida de carga a, que en nuestro ejemplo, al ser rebaba central, ser el valor de las curvas de umbrales de plasticidad correspondiente al coeficiente K = H/d. Si la rebaba fuera intermedia o frontal, los valores de K correspondientes seran diferentes. En la figura 15.16 se han esquematizado los tres casos de posicin de la rebaba y se han sealado los correspondientes valores del coeficiente K. En consecuencia, sobre la cara frontal del anillo de rebaba, la presin resulta ser (p-a).

La presin (p-a) obliga a la rebaba a deslizarse entre los cordones de las matrices superior e inferior, a la vez que va aumentando el dimetro del anillo de rebaba que se va formando. Al aumento del dimetro del anillo de rebaba se opone una contra presin Pb consecuencia de la resistencia mecnica del material caliente a un cambio de dimetro por traccin. Al deslizamiento del material entre los cordones de matrices se oponen las fuerzas de rozamiento que se originan por el roce entre este material y los propios cordones, que denominaremos Pe. En el equilibrio final se cumple:

p-a = Pb + Pe

No obstante, para simplificaciones del clculo, existe una forma de calcular tanto el ancho y espesor del canal de rebaba, con base en la anchura (o dimetro) y la complejidad de la pieza, lo cual se muestra a continuacin.Con base a las medidas del boceto, se determina que el ancho de la pieza (desde una vista superior), es de 100mm, y con base a la tabla, le corresponde un valor de (b)=9 y (h)=/6=9/6=3mm (dado la arquitectura compleja de la pieza)En el mismo texto de Jess del Rio, es posible hallar una tabla que relaciona las medidas del cordn de rebaba, con las dimensiones del canal de rebaba.A partir de esta, tenemos que h(e/2)=3.5mm, R=h, y b(L)=26mm.

Fuerzas y friccin actuantes en el canal de rebaba:

Pb: Contrapresin por resistencia mecnica del material caliente a un cambio de dimetro por traccin.Pc: Presin entre los cordones genera friccin(P-a): La presin que obliga a la rebaba a deslizarse entre los cordonesEl conformado de la pieza debe ser en caliente e isotrmico para evitar que se presente el fenmeno de la anisotropa, normalmente este se presente cuando en los ltimos momentos la presin motriz es muy elevada y las aristas estn llenndose de material, las zonas prximas a esas aristas se enfran ms que la masa plstica como consecuencia de las paredes fras del troquel este efecto hace aumentar la resistencia a la deformacin del material. Por esta razn debe hacerse isotrmico

dR/= La aleaciones de titanio requieren matrices de superaleacion o TZM (Titanio-Zirconio-Molibdeno), en las cuales se pueden formar las superaleaciones superplsticas. Para evitar la oxidacin de las matrices de aleacin de molibdeno se construyen prensas especiales con espacios de trabajo al vaco. La lubricacin es vital en la forja isotrmica y en este caso especfico para un material de trabajo de aleacin de titanio (Ti-6Al-4V) se utiliza Vidrio o grafito (Anexo 1: tabla 8-4 Lubricantes comunes Procesos de manufactura Schey Tercera edicin.)

Caracteristicas de la matrizTZM Mo (0.015C-0.5Ti-0.08Zr)Propiedades FisicasPunto de Ebullicion : 4612 CDensidad @ 20 C : 10.22 g/cm3Pto de Fusion : 2500 - 2600 CPropiedades ElectricasResistividad Electrica @ 20 C: 5.3 - 5.5/cmPropiedades termicasCoeficiente de Exp. Lineal@ 20 - 100 C : 5.3*10-6K-1Conductividad Termica @ RTP : 126 W/m-KTemperatura de mximo uso en aire : 400 CPropiedades mecanicasElongacion : < 20 %Modulo de Elasticidad : 320 GPaEsfuerzo a Tension : 560 - 1150 MPaEsfuerzo de Tension@ 600C: 638.83 MpaDureza: 220 DPH (Escala Vickers)

El diseo que incluye grafito en el substrato de molibdeno se ha preferido para la etapa del proceso. La principal ventaja de esta solucin es la similitud de los coeficientes de expansin trmica para el molibdeno y grafito, que permite la reduccin significativa en los niveles de las tensiones trmicas. Un alto nivel de resistencia, alta resistencia a la dilatacin por radiacin, y buena conductividad trmica se encuentran entre las ventajas del uso de aleaciones de molibdeno.

La principal desventaja de las aleaciones de molibdeno es una tendencia a la fragilidad a baja temperatura. Por lo tanto, era necesario encontrar una solucin para reducir la temperatura de transicin dctil a quebradizo (DBTT por sus siglas en ingles) y para proporcionar un cambio mnimo de la DBTT despus de la irradiacin de neutrones de baja temperatura.

En estos procesos NNS (Near-Net-Surface, forma casi terminada) , la lubricacin juega un papel importante debido a la precisin dimensional esperada del proceso , la existencia de superficies netas , y las temperaturas altas de interfaz . La prctica habitual es aplicar revestimientos para el tocho o la preforma antes de forjar en caliente. Algunas veces se complementan con la lubricacin de la matriz durante la operacin de forjado. No slo deben proporcionar una lubricacin adecuada , deben actuar como un buen agente de separacin que permite una fcil extraccin del material del troquel. Tambin tienen que proteger la superficie de forja con el fin de mantener el acabado superficial aceptable y no debe acumularse en los troqueles. Su acumulacin puede afectar a la forma de la forja, causando reas de la pieza con llenado insuficiente, por lo cual la atencin a la acumulacin durante el proceso de forja es una necesidad. Para troqueles con temperaturas de hasta 650C, lubricantes de grafito son aceptables, pero a temperaturas ms altas de troqueles, vidrio con aditivos apropiados o recubrimientos de nitruro de boro son mas usados.

bR/= Para calcular los esfuerzos, fuerzas y presiones, se debe calcular en primer lugar el volumen ocupado por la biela. Dado que es una pieza con un grado de complejidad elevado, es preferible descomponerla en figuras geomtricas conocidas, para estimar un volumen aproximado con base al boceto mostrado en el inciso a.

Como se observa en la grafica, se produce una variacin de la carga en el trancurso del proceso de forjado, la cual empieza como un curva suave (al inicio de la compresin del material debida a los moldes), y que se manifiesta en un aumento mas pronunciado, a partir del punto donde se empieza a producir la rebaba o crez. Esto es debido a la mayor cantidad de energa que se requiere para que el material de forja llene completamente la matriz, y a su vez, la energa requerida para que el exceso de material que se presenta en el proceso, se desvie hacia el canal de rebaba, lo cual implica una cantidad de energa mucho mayor, representada como el rea bajo la curva mostrada anteriormente.

c)

Bibliografa: SCHEY, John A. Procesos de manufactura. Tercera Edicin. McGraw-Hill. Ao 2000. AVILA, Juan C. Optimo diseo de una biela para un alto rendimiento. Fundacin Universidad Amrica. Ao 2008. http://dieoffii.blogspot.com/2008/02/el-motor-de-un-f1.html. Curso Bsico de Motores F1. http://ceramica.wikia.com/wiki/Ti6Al4V. Aleacin de titanio Ti-6Al-4V.Del Rio, J. (2005). Conformacion Plastica de Materiales Metalicos. Madrid: Dossat 2000, S. L.ED Fagan Inc.-TZM Molybdenum Refractary Alloys. (s.f.). Recuperado el 17 de Abril de 2014, de http://www.edfagan.com/litPDF/TZM-Molybdenum5-1-08F.pdfKalpakjian, S., & Schmid, S. R. (2002). Manufactura, ingeniera y tecnologa. Pearson Education.Maier-Speredelozzi, D. V. (10 de Noviembre de 2008). Materials.MOLYBDENUM AND ITS ALLOYS. (s.f.). Recuperado el 17 de Abril de 2014, de http://www-ferp.ucsd.edu/LIB/PROPS/PANOS/moa.htmlR.E. Montero, L. H. (2005). Isothermal and Hot-Die Forging.