simulación forja

ANÁLISIS DEL PROCESO DE FORJA A TRAVÉS DE UN MODELO EXPERIMENTAL VERSUS UNA

SIMULACIÓN VIRTUAL

ANDRÉS ARROYAVE RENGIFO

JOSÉ FABIAN CASTRO

JUAN D. ARROYAVE SERNA

NILSON NÁJERA RICARDO

Presentado a:

DIANA MARÍA LÓPEZ OCHOA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

SEDE MEDELLÍN

FACULTAD DE MINAS

2013

1. DESARROLLO

En primera instancia se realizó una simulación de forma experimental, donde a partir de la

plastilina se simula las condiciones de un acero que está siendo forjado en caliente. Los

implementos usados para tal simulación empírica fueron una matriz y punzón de aluminio,

fabricados por fundición, y por supuesto plastilina en diferentes colores, que cumplía el papel de la

pre-forma en el proceso. Esta experiencia se dio en paralelo con una simulación de mismo proceso

en el software Abaqus FEA, con la intención de comparar ambos resultados.

1.1. Condiciones

Ambos casos son asumidos como un proceso de forja en caliente. En el caso experimental la

plastilina tiene condiciones de fluencia parecidos al acero conformado en caliente, cuando

esta se somete a cierta cantidad de fuerzas. En lo que respecta a la simulación en el software,

el estado de conformación en caliente se da por medios de datos de temperatura ingresados,

así como los datos de esfuerzo–deformación establecidos en esta condición.

Las dimensiones dadas para la matriz son mostradas en la figura 1., y para el punzón en la

imagen 2.

Imagen 1. Vista en sección con medidas de la matriz

Imagen 2. Vista y medidas del punzón

2. MÉTODO DE SIMULACIÓN EXPERIMENTAL

El molde fue fundido en aluminio y cumple con las dimensiones establecidas anteriormente,

además que sirve de copia del herramental usado en los procesos reales.

Imagen 3. Lado izquierdo: Punzón, lado derecho: Matriz.

Gracias a la maleabilidad propia de la plastilina se laminaron discos de aproximados 3 mm de

espesor. Estos con la intención de lograr capas de diferentes colores que al juntarse formarán la

preforma con las medidas deseadas. El hecho que tenga varios colores sirve como marcadores del

flujo, los cuales dan una idea de la direcciónes en que se desplaza el material cuando se está

deformando.

En las siguientes figuras se muestran las medidas en milímetros de la preforma y la misma ya

moldeada en plastilina. Se hicieron 3 preformas con diferentes colores cada/una, para poder

repetir el ensayo, y evaluar si se presentaba el mismo compormiento en todas las preformas.

Imagen 4. Medidas en milímetros de la preforma

Imagen 5. Preformas usadas en los ensayos experimentales

En la imagen 7 y 8 se nota en la zona de la superficie superior la deformación es casi nula. Los

rasgos de deformación se notan más entre más cerca se esté de la superficie inferior. Este

fenómeno se debe a que en la parte inferior se reduce de manera drástica el diámetro de la

preforma, en cambio en la superior no. Además que la geometría de la preforma tiene un

agujero en la parte central, lo que da lugar a la entrada del punzón sin que tenga que

deformar en esta zona.

En el centro de la pieza se nota un flujo un poco desordenado, pues las líneas de colores no se

mantienen horizontales. Este sector es el de más alta deformación porque esta parte de la

preforma tiene que soportar la carga de la punta del punzón y el cambio de sección (punta de

24,35 mm) que está en el fondo de la matriz. Asimismo se puede mencionar que las placas de

plastilina no fueron hechas con el mismo espesor en todo su diámetro, debido a que la

fabricación fue manual.

Imagen 6. Pieza final deformada

Imagen 7. Vista longitudinal de una de las piezas

Imagen 8. Vista longitudinal de una de las piezas

En cada ensayo se varió la forma en que la plastilina interactuaba con el molde. Es decir, en el

primer se ingresó la preforma en el molde, dejando en contacto directo a la plastina con el

aluminio. Fue de mucha dificultad sacar la pieza pues estaba adherida al molde. En el segundo

ensayo, se usó una bolsa plastica dentro de la matriz y tambien en la zona del punzón que está en

con contacto con la plastilina, para evitar la adherencia de la plastilina con el molde. Aquí se

percibió un poco más de oposición al avance del flujo cuando se estaba prensando, en

comparación con el anterior. Entre las imágenes este fue el que mostró la forma más parecida al

molde, pero fue debido a que no tuvo oposición al sacarlo del mismo, en cambio las otras

preformas se vieron un poco afectadas por la manipulación excesiva para poder sacarlas. Por

último se trabajó con aceite para crear una capa lubricante entre la preforma y molde que le diera

al proceso mayor facilidad a la deformación. En definitiva los 3 piezas finales mostraron un flujo

parecido a la vista, lo que nos indica que la variación del factor mencionado no fue determinante

en los resultados.

Imagen 9. Muestra del ensayo 1



3. MÉTODO DE SIMULACIÓN VIRTUAL

Para este método se procede a realizar las preformas y los dados con las mismas dimensiones con

las que se realizaron los moldes de plastilina. Con el uso del software Abaqus FEA 6.11 – 3 se

crearon las piezas, las cuales se consideraron con condiciones axisimétricas, opción que le da

facilidad al avance de la simulación.

Posteriormente se diseñó la hembra, el macho y la preforma como lo evidencian las imágenes 13,

14 y 15.

Imagen 13. Hembra con las dimensiones

Imagen 14. Macho con las dimensiones

Imagen 15. Preforma con las dimensiones

3.1. PREFORMA

Como se mencionó anteriormente se inició con la creación de la preforma en el software Abaqus

FEA (Imagen 15), de allí nos dirigimos a la opción “Materials” para crear el material del cual estaba

diseñada la preforma. El material designado para el trabajo fue un acero AISI 1020, para lo cual fue

necesario la búsqueda de las propiedades mecánicas y de los puntos de la curva esfuerzo V.S.

deformación del material, y que fueron ingresados en el programa. Las propiedades van desde el

módulo de Young hasta el coeficiente de Possion.

Imagen 16. Propiedades mecánicas del AISI 1020 ingresadas en el software Abaqus FEA

Con lo anterior, y otra pasos requeridos por el programa, se empezó a hacer el enmallado de la

preforma, donde se utilizó un mallado triangular por recomendación, y de tamaño considerable

pequeño para así poder ser más precisos en el análisis. En la imagen 17 se muestra la preforma

con su respectivo enmallado.

Imagen 17. Preforma enmallada

3.2. MACHO Y HEMBRA

En las imágenes 13 y 14 se puede apreciar cómo se diseñaron las herramientas a utilizar en el

proceso (macho y hembra), los cuales fueron creados a partir de la opción llamada “analytical

rigid”. A estos no se les creó un material, ya que no es necesario para el análisis, porque en el

proyecto, los cálculos de esfuerzo y deformaciones que estén ocurriendo en el macho como en la

hembra no son de importancia. Después de lo anterior, a la dos piezas formadas se les empieza a

restringir los movimiento y se empiezan a poner los puntos de referencia que van a tener, en la

imagen 18 se muestra el ensamble de las piezas y allí se podrá notar los puntos referencia y las

restricciones de movimiento.

Imagen 18. Ensamble de las piezas creadas

Para poder obtener unos buenos resultados en comparación con el método físico de la plastilina

se debe tener mucho cuidado tanto en la parte de los steps (Condiciones iniciales, de borde y

movimiento) como en el mallado de la preforma, ya que si no se ponen correctamente, el

software siempre que se active la simulación en la pestaña “jobs”, el proceso y las deformaciones

que le están ocurriendo a la preforma se verán interrumpidas en un punto, y el software dirá que

ocurrió un error, como sucedió en la simulación de este trabajo.

Otro factor que se cree ocasionó parte del error fue la opción “incrementation”. Se entendió que

esta opción es el tiempo que se establece para que ocurra la deformación. Para que se dé una

simulación el programa realiza una toma de datos durante todo el proceso, que se dice va desde 0

a 1. En este trabajo, la simulación corrió hasta valores alrededor de 0,5, aun cuando se variaron

datos en el tamaño de la malla y en la opción “incrementation”. Lo que nos indica que el programa

es muy exacto y necesita valores ingresados correctos y adecuados para cada tipo de deformación

y configuración.

Imagen 19. Datos de “incrementation”.

Imagen 20. Resultados

3.3. RESULTADOS DE LA SIMULACION VIRTUAL

La simulación virtual no fue lo esperado, ya que el material no logro deformarse para ocupar toda

la superficie de la hembra, como ocurrió en el modelo físico que el material si logro deformarse lo

suficiente para llenar el dado, la imagen 20 muestra los resultados de la simulación virtual.

Imagen 21. Paso 1 en la simulación



3.4. Comparación de los resultados de la simulación virtual con la simulación con plastilina

Debido a que los resultados en la simulación física no se obtuvieron la comparación entre la

simulación virtual y la simulación experimental no se tienen bases de peso para realizar una

comparación entre estos modelos.

4. CONCLUSIONES

Podemos mencionar que la modelación puede discrepar de la experimental debido a que las

propiedades mecánicas asociadas a la plastilina y al acero caliente (modelo virtual) son muy

diferentes a estas condiciones, pero es un modelo acertado en manera experimental para estudiar

el posible comportamiento de ciertos materiales.

Los errores obtenidos en la realización de la simulación virtual tiene origen en la falta de

profundización del programa y su complejidad, también se puede agregar erros al desconocer el

mejor tamaño del enmallado, en la correcta selección de los steps y en la selección de los

incrementation.

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