PROCESOS DE MANUFACTURA I- BALLESTAS SERGIO

Embutido

Muchas partes fabricadas con hojas metálicas son cilíndricas o tienen forma de caja, como recipientes y sartenes, todo tipo de contenedores para alimentos y bebidas, fregaderos de acero inoxidable para cocinas, recipientes y tanques de combustible, por lo común, dichas partes se fabrican mediante un proceso en el que un punzón impulsa una lámina metálica bruta dentro de la cavidad de una matriz, aunque al proceso generalmente se le llama embutido profundo por su capacidad para producir partes profundas, también se utiliza para fabricar partes poco profundas o que tiene una profundidad moderada.La diferencia entre el estirado y el embutido profundo es sustancial: en el primero, la pieza se sujeta y el aumento de área se obtiene a costa del espesor de la lámina; en el segundo, se permite, e incluso se fomenta, que el blanco se introduzca a la matriz, de manera tal que el espesor no cambie nominalmente.En el proceso básico de embutido profundo, se coloca una pieza en bruto de hoja metálica redonda sobre la abertura de una matriz circular y se mantiene en su lugar con una placa de sujeción o anillo de sujeción. El punzón baja y empuja la lámina dentro de la cavidad de la matriz, formando una copa o depresión. Las variables importantes en el embutido profundo son las propiedades de la hoja metálica, la relación del diámetro de la pieza en bruto (D0); el diámetro del punzón (DP); la holgura (c) entre el punzón y la matriz; el radio del punzón (Rp); la relación de la esquina de la matriz o radio de transición (Rd); la fuerza de la placa de sujeción; y la fricción y la lubricación entre todas las superficies de contacto.En la embutición profunda de una copa el metal está sujeto a tres tipos diferentes de deformación. El metal del centro del disco queda bajo la cabeza del punzón y se estira, adaptándose a la forma del punzón, para lo cual ha de adelgazarse. El metal de esta región está sometido a un estado biaxial de tensiones de tracción. El metal de la corona externa del disco tiene que embutirse a través de la boca de la matriz y, al hacerlo, su circunferencia externa disminuye continuamente de longitud, desde la inicial (D0), a la final de la copa acabada (DP). Esto significa que está sometido a una deformación de tracción en la sección radial. El resultado de estas dos deformaciones principales es un aumento continuo del espesor cuando el metal se desplaza hacia el interior, pero cuando el metal pasa por el borde de la matriz, primero es doblado y luego enderezado, mientras simultáneamente está sometido a una tensión de tracción. Este doblado plástico bajo tensión va acompañado de un considerable adelgazamiento, que modifica el engrosamiento debido a la contracción de

la circunferencia periférica. Entre la zona interna estirada y la externa contraída hay un estrecho anillo de metal que no se ha doblado ni sobre la matriz ni sobre el punzón. El metal de esta región está sometido únicamente a esfuerzos de tracción pura durante toda la operación de embutición.

La variación total de espesor depende de la reducción total de embutición y de los radios de embocadura de la matriz (radio del perfil del borde de la matriz) y del borde del punzón (radio del perfil del borde del punzón). El mayor aumento de espesor suele presentarse en el borde externo de la copa, que es la zona donde solo han actuado tensiones tangenciales de compresión. De la condición de constancia de volumen se puede deducir que el espesor h de ese borde, después

PROCESOS DE MANUFACTURA I- BALLESTAS SERGIO de la embutición, está relacionado con el espesor inicial disco, el diámetro del mismo y el diámetro de la copa por la expresión h=ho(D0/D)1/2. La mayor disminución de espesor se produce alrededor del borde del punzón y puede dar lugar también a un adelgazamiento en el fondo de la copa si las tensiones de tracción llegan a ser suficientemente elevadas. Esto ocurre cuando la reducción es grande y el punzón es de pequeño diámetro. Si el juego entre el punzón y la matriz es menor que el espesor que se produciría dejando libertad para el engrosamiento natural, el metal es aplastado en las regiones correspondientes, produciéndose un planchado entre punzón y matriz que origina un espesor de pared uniforme. En las operaciones industriales de embutición el juego entre matriz y punzón suele ser del 10 al 20% mayor que el espesor del metal. En las operaciones de planchado, en las que se logran reducciones uniformes apreciables de espesor de pared, se emplean juegos muchos menores.La fuerza que se debe aplicar aun punzón para producir una copa es la suma de la fuerza ideal de deformación, las fuerzas de fricción y la fuerza requerida para producir el planchado (si se produce). En la siguiente figura se muestra como varían estas componentes de la fuerza total a lo largo de la carrera del punzón. La fuerza ideal de deformación aumenta continuamente con la longitud recorrida, porque la deformación es creciente y la tensión de fluencia aumenta por el endurecimiento por deformación. Una contribución importante a las fuerzas de fricción proviene del sujetachapas. Este componte alcanza un máximo al principio del recorrido y luego decrece porque la superficie del disco que queda bajo el sujetachapas disminuye continuamente. La fuerza necesaria para el planchado aparece al final de la carrera, cuando ya se ha alcanzado el engrosamiento máximo de la pared de la copa. Un término adicional es la fuerza necesaria para doblar y enderezar el metal sobre la embocadura o borde de la matriz. Medidas realizadas del trabajo requerido para la formación de una copa mostraron que el 70% de dicho trabajo se consume en el estirado radial del metal, el 13% en vencer las fuerzas de fricción, y el 17% en doblar y desdoblar sobre la embocadura de la matriz.

De un análisis de las fuerzas en equilibrio, se deduce la siguiente ecuación aproximada para la fuerza total que ha de aplicarse sobre el punzón en cualquier fase del efecto.

Dónde:P= Carga total del punzón.σ0= Limite

elástico medio.DP= Diámetro del punzón.DO= Diámetro inicial del disco

PROCESOS DE MANUFACTURA I- BALLESTAS SERGIO H= Fuerza sobre el sujetachapas.B= fuerza requerida para doblar y enderezar el disco.h= Espesor de pared.µ= Coeficiente de rozamiento.En la ecuación el primer término expresa la fuerza ideal necesaria para producir la copa, y el segundo término es la fuerza de fricción bajo el anillo del sujetachapas. El término exponencial introduce el efecto de la fricción sobre el borde o embocadura de la matriz, y la cantidad B es la fuerza necesaria para doblar y enderezar la chapa sobre el perfil de dicha embocadura.

Debido a que los cálculos necesarios para encontrar una solución por este método, son demasiado detallados y laboriosos se puede decir que, el éxito de una operación de embutición profunda depende principalmente de que las tensiones de tracción en las paredes de la copa paralelas a su eje longitudinal, se mantengan por debajo de la resistencia a la tracción del metal de la pared. La máxima carga que puede resistir una copa está dada, aproximadamente, por la siguiente ecuación.

Pmax=1.1 σu π Dm h(2)

Dónde:Dm= Diámetro medio de la copa.σu= Resistencia a la tracción.

Para que la embutición se realice con éxito es necesario que la carga del punzón, determinada por la ec (1) no exceda a la resistencia de la copa, dada por la ec (2). Hay una serie de factores de índole geométrica que afectan tanto a la carga del punzón y a la resistencia de la copa como a la resistencia del metal y el área de la sección transversal.La embutibilidad de un metal depende primordialmente de la relación entre el diámetro del disco inicial y el diámetro del punzón, D0/DP. Por la influencia de los factores de índole geométrica, el valor de esta relación puede oscilar entre 1.6 y 2.3. Otros factores que importantes que afectan la embutibilidad son los radios del perfil de la embocadura o borde la matriz y borde de punzón.Si el radio de la embocadura es mayor que unas diez veces el espesor de la chapa, apenas afecta a la carga del punzón. No interesa aumentar dicho radio por encima de ese valor, porque quedaría una superficie anular del disco, bastante grande, sin apoyo en la matriz, lo que produciría pandeos. Cuando el radio de la embocadura es menor que diez veces el espesor de la chapa, tanto la carga del punzón como la embutibilidad son seriamente afectadas.Operaciones de reembuticion. La reducción obtenida en una sola embutición está dada por:

q=1−DP

D0

Una reducción máxima teórica es del 50% y, aun en las mejores condiciones posibles, no se sobrepasa, en una sola embutición, una reducción del 60%. Así en condiciones óptimas, no es posible obtener, en una sola operación, una copa que sea mucho mal alta que si diámetro, para esto es necesario realizar varias operaciones de embutición sucesivas.Los dos métodos básicos de reembutir son el directo o normal y el inverso o indirecto. En la reembuticion directa, la superficie externa original de la copa sigue siendo la superficie externa de la copa reembutida.La reembuticion inversa la copa se vuelve sobre sí misma, de forma que la superficie externa de la primera embutición se convierte en la interna de la copa reembutida. La fuerza máxima para deformar el fondo de la copa, PB, es

PB=(π Df hf )σ0(tgα+μ)En donde:Df= Diámetro final de la copa.hf= Espesor final del fondo de la copa.α= Semiangulo de la matriz.

PROCESOS DE MANUFACTURA I- BALLESTAS SERGIO La fuerza sobre el punzón, Ps necesaria para reducir el diámetro de un tubo de espesor de pared h, es:

PS=π ( D0−h )h σ0 lnD0

D f

(1+ μtgα

)

Y, finalmente la fuerza sobre el punzón requerida para el estirado esta expresada por:

Pf =1.15 σ0 A0 lnA0

A f

(1+ μtgα

)

EQUIPOS O MAQUINAS DE EMBUTIDO 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 de dos 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.

Bibliografía: Kalpakjian, S., & Schmid, S. R. (2002). Manufactura, ingeniería y tecnología. Pearson Education.• SCHEY, John A. Procesos de manufactura. Tercera Edición. McGraw-Hill. Año 2000. DIETER GEORGE ELLWOOD. Mechanical Metallurgy McGraw-Hill, Singapore, 1988 DIETER GEORGE E.

Metalúrgica Mecánica. Editorial Aguilar. 1979 http://es.scribd.com/doc/42837432/PROCESO-DE-EMBUTIDO

PROCESOS DE MANUFACTURA I- BALLESTAS SERGIO III.2. Difusión atómica en sólidos

III.2.1. Consideraciones generales sobre la difusión en sólidosLa difusión puede ser definida como el mecanismo por el cual la materia es transportada a través de

ella misma. Los átomos de gases, líquidos y sólidos están en constante movimiento y se desplazan en el espacio con el transcurso del tiempo. En los gases, este movimiento es relativamente veloz, como puede apreciarse por el rápido avance de los olores desprendidos al cocinar o el de las partículas de humo. Los movimientos de los átomos de los líquidos son, en general, más lentos que los de los gases, como se pone en evidencia en el movimiento de las tintas que se disuelven en agua líquida. En los sólidos, estos movimientos están restringidos, debido a los enlaces que mantienen los átomos en las posiciones de equilibrio. Sin embargo, las vibraciones térmicas permiten que algunos de ellos se muevan. La difusión atómica en metales y aleaciones es particularmente importante considerando el hecho de que la mayor parte de las reacciones en estado sólido llevan consigo movimientos atómicos. Algunos ejemplos son la precipitación de una segunda fase a partir de una solución sólida, y la formación de núcleos y crecimiento de nuevos granos en la recristalización de un metal trabajado en frío.

III.2.2. Mecanismos de difusión. Existen dos mecanismos principales de difusión atómica en una estructura cristalina: (1) el mecanismo de vacancias o sustitucional, y (2) el mecanismo intersticial.

Mecanismo de difusión por vacantes o sustitucional. Los átomos pueden moverse en las redes cristalinas desde una posición a otra si hay suficiente energía de activación proporcionada por la vibración térmica de los átomos, y si hay vacancias u otros defectos cristalinos en la estructura para que ellos los ocupen. Las vacancias en metales y aleaciones son defectos en equilibrio, y como se dice más arriba, siempre existe una cierta cantidad, lo que facilita la difusión sustitucional de los átomos. A medida que aumenta la temperatura del metal, se producen más vacancias y habrá más energía térmica disponible, por tanto, la velocidad de

difusión es mayor a temperaturas elevadas. En la Fig. III.2 se ilustra el ejemplo de difusión por vacancias del cobre en un plano compacto en la estructura cristalina del mismo metal. Si un átomo cercano a la vacancia posee suficiente energía de activación, podrá moverse hacia esa posición, y contribuirá a la difusión propia de los átomos de cobre en la estructura. Esa energía de activación para la auto difusión es igual a la suma de la energía de activación necesaria para formar la vacancia y la necesaria para moverla. Sus valores se encuentran en la Tabla 2. En general, al incrementarse el punto de fusión del metal, la energía de activación también aumenta debido a que son mayores las energías de enlace entre sus átomos.

La difusión por vacancias también puede darse en soluciones sólidas. En este caso, la velocidad de difusión depende de las diferencias en los tamaños de los átomos y de las energías de enlace.

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Mecanismos de difusión intersticial. La difusión intersticial de los átomos en las redes cristalinas tiene lugar cuando éstos se trasladan de un intersticio a otro contiguo sin desplazar permanentemente a ninguno de los átomos de la matriz de la red cristalina (Fig. III.3). Para que el mecanismo intersticial sea efectivo, el tamaño de los átomos que se difunden debe ser relativamente pequeño comparado con los de la red; por ejemplo hidrógeno, oxigeno, nitrógeno, boro y carbono pueden difundirse intersticialmente en la mayoría de las redes cristalinas metálicas

Difusión en estado estacionario

Consideremos la difusión de soluto en la dirección del eje x entre dos planos atómicos perpendi-

culares al plano del papel, separados una distancia x como se muestra en la Fig. III.4. Supongamos

que tras un periodo de tiempo, la concentración de los átomos en el plano 1 es C1 y en el plano 2 es

C2. Esto significa que no se producen cambios en la concentración de soluto con el tiempo, en esos

planos. Estas condiciones de difusión se conocen como estado estacionario y tienen lugar cuando

un gas no reactivo se difunde a

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través de una lámina metálica. Por ejemplo, las condiciones de difusión de estado estacionario se

alcanzan cuando el gas hidrógeno se difunde a través de una lámina de paladio si el hidrógeno se

encuentra a una presión alta en un lado y a una presión baja en el otro.

Si en el sistema mostrado en la Fig. III.4 no hay interacción química entre los átomos de soluto y los

del solvente, debido a la diferencia de concentración entre los planos 1 y 2, se producirá un flujo neto

de átomos del lado de concentración más alta al de concentración más baja. La densidad de flujo o

corriente se representa en este tipo de sistemas mediante la ecuación

J = -D dC

dx

(3.5)

donde J = flujo o corriente neta de átomos

D = coeficiente de difusión o de difusividad dC = gradiente de la concentración

dx

Se utiliza un signo negativo porque la difusión tiene lugar desde una concentración mayor a otra

menor, es decir, existe un gradiente negativo. Esta ecuación se llama primera ley de difusión de Fick

y corresponde a aquellas situaciones en que no hay cambios en el transcurso del tiempo. Las

unidades del SI para esta ecuación son:

æ Atomos ö æ m2 ö dC æ Atomos 1 ö

J ç ÷ = D ç ÷. ç . ÷

è m2 .s ø è s ø dx è m3 m ø

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La Tabla 3 muestra los valores del coeficiente de difusión para algunos casos de difusión

intersticial y sustitucional. Esos valores dependen de muchas variables, las más

importantes son:

1. El mecanismo de difusión. Los átomos pequeños pueden difundir intersticialmente

en la red cristalina de solventes de mayor tamaño atómico, por ejemplo, el

carbono en el hierro BCC o FCC. Los átomos de cobre pueden difundir

sustitucionalmente en una red solvente de aluminio ya que son aproximadamente

del mismo tamaño.

2. La temperatura a la cual tiene lugar la difusión afecta en gran manera al valor de

la difusividad. Según aumenta la temperatura, ésta se ve también incrementada,

como lo muestra la Tabla 3, comparando los valores a 500º C y 1000º C.

3. El tipo de estructura cristalina del disolvente es importante. Por ejemplo, la

difusividad del carbono en hierro a es 10-12 m2/s a 500 0C, valor mucho mayor

que 5.10-15 m2/s, correspondiente al carbono en hierro g a la misma

temperatura. La razón para esta diferencia es que la estructura cristalina BCC

tiene un factor de empaquetamiento atómico

4. de 0,68, menor que el exhibido por la estructura FCC, que es de 0,74. También los

espacios interatómicos en el hierro son mayores en la estructura BCC que en la

FCC; por ello, los átomos de carbono pueden difundir entre los átomos de hierro

BCC más fácilmente que en FCC.

Bibliografía

http://www.frro.utn.edu.ar/repositorio/catedras/mecanica/5_anio/metalografia/3-

Difusion_en_solidos_v2.pdf

http://www.mcgraw-hill.com.mx/