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Diseño y montaje de un proceso de embutido

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Academic year: 2020

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(1)DISEÑO Y MONTAJE DE UN PROCESO DE EMBUTIDO. NATALIA CASTAÑO VILLEGAS. Proyecto de Grado. Asesor: Luís Mario Mateus Sandoval. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ JUNIO DE 2006. 1.

(2) TABLA DE CONTENIDO. 1. INTRODUCCIÓN................................................................................................... 3. 2. SELECCIÓN DEL MATERIAL ............................................................................... 4 2.1. VENTAJAS DEL ALUMINIO........................................................................... 4. 2.2. PRUEBAS DEL ALUMINIO ............................................................................ 5. 3. MEMORIA DE CÁLCULOS ................................................................................... 7. 4. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL DISPOSITIVO.............................................. 13 4.1. 5. CONSTRUCCIÓN DEL DISEÑO SELECCIONADO DEL DISPOSITIVO..... 14. DISEÑO DEL EXPERIMENTO ............................................................................ 18 5.1. PRUEBAS REALIZADAS ............................................................................. 20. 5.1.1. CON Y SIN PRENSACHAPA ................................................................ 20. 5.1.2. DETERMINAR EL RADIO REQUERIDO EN LA MATRIZ. EXPERIMENTALMENTE .................................................................................... 21 5.1.3 5.2 6. CALENTANDO EL MATERIAL.............................................................. 23. RESULTADOS EXPERIMETALES .............................................................. 24. ANÁLISIS DE RESULTADOS ............................................................................. 26 6.1. RADIOS DE EMBUTICIÓN .......................................................................... 26. 6.2. PLIEGUES PRESENTES EN LA EMBUTICIÓN .......................................... 27. 6.3. EFECTOS DE LA FUERZA EJERCIDA POR LA PRENSACHAPA ............. 28. 7. CONCLUSIONES ................................................................................................ 29. 8. BIBLIOGRAFÍA.................................................................................................... 30. ANEXO 1 .................................................................................................................... 31 ANEXO 2 .................................................................................................................... 33. 2.

(3) 1. INTRODUCCIÓN. Este Proyecto de Grado fue propuesto con el fin de diseñar y construir un dispositivo para el proceso de embutido que se acople en la máquina de ensayos universal Tinius-Olsen localizada en el laboratorio de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Los Andes. Este será utilizado en el curso de Procesos de Manufactura y otras materias del Departamento de Ingeniería Mecánica. Con este proyecto se buscó que el dispositivo entregara como producto final un recipiente cilíndrico con el mínimo de pliegues posibles y sin rasgar la lámina. Se quiso diseñar y construir los posibles dispositivos adecuados para realizar procesos para un recipiente cilíndrico con diámetro 40mm, altura 15mm y espesor 0.2mm. Para lograr obtener el producto, se hizo primero la memoria de cálculos para tener una idea de la magnitud de las fuerzas involucradas en el proceso de embutición y así poder diseñar el dispositivo. Ya con el dispositivo construido se comenzaron a hacer pruebas para poder determinar experimentalmente algunos factores críticos del dispositivo para luego mejorar el proceso de embutición. Debido a los objetivos planteados, el dispositivo será utilizado por personas de diferentes semestres por lo que se debe pensar en que cualquier persona que estudie Ingeniería Mecánica lo pueda manejar y así mismo tenga un acople sencillo en la Máquina de Ensayos Universal que es la que cargará el dispositivo.. 3.

(4) 2. SELECCIÓN DEL MATERIAL. Al iniciar el proyecto se hizo evidente que el primer paso a realizar era seleccionar el material con el que se iba a trabajar y de esta forma diseñar el proceso de embutición. El principal requisito a cumplir era el espesor de la lámina ya que para realizar el proceso se requería que fuera de 0.2 mm. Con esto en mente, las dos opciones más viables eran láminas de acero y de aluminio. Las ventajas de estos dos materiales son su bajo costo, la facilidad con la que se encuentra en el mercado nacional, la sencillez con la que se puede caracterizar y principalmente que las propiedades inherentes al aluminio y al acero son las más apropiadas para un proceso de embutición. Se encontró también, que debido a estas características, el aluminio y el acero son comúnmente utilizados en la industria para el proceso de embutición. 2.1. VENTAJAS DEL ALUMINIO. Se seleccionó el aluminio ya que para este proceso tiene ventajas sobre el acero. Dentro de estas, se encuentra que tiene un menor módulo de elasticidad, lo que en el momento de la embutición implica una ductilidad mayor. Otra de las ventajas encontradas es la capacidad de adaptarse a diferentes lubricantes, entregando resultados muy buenos con aceites de diferentes viscosidades. Por otro lado, el aluminio es el material mas nombrado y recomendado en diferentes bibliografías para el proceso de embutición sencilla, que es el que se realizará en este caso. Además, el costo de una lámina de aluminio de 1m de ancho por 1m largo por 0.2mm de espesor es de $7,900 (US$ 3.00) y de ahí salen alrededor de 190 chapas de diámetro 67mm, cantidad que es razonable. Finalmente, indagando en la industria y comentado el objetivo de este proyecto, un par de industrias de metalmecánica que han tenido experiencia en embutición recomendaron la utilización del aluminio. Por lo anteriormente nombrado, se decidió hacer tanto los cálculos teóricos como las pruebas con el aluminio que se encuentre comúnmente en la industria colombiana. Sin embargo, antes de comenzar a hacer los cálculos teóricos de embutición, era necesario caracterizar el material para poder aplicar de manera más segura los modelos teóricos que se encuentran en la bibliografía, ya que en la industria no tienen claramente definidas las propiedades.. 4.

(5) 2.2. PRUEBAS DEL ALUMINIO. Con el fin de poder encontrar una solución teórica lo más cercana posible a la realidad es indispensable conocer las propiedades tanto teóricas como experimentales de la lámina a embutir. De acuerdo a las propiedades que se estaban buscando solo fue necesario hacer las pruebas de tensión. Las pruebas fueron realizadas con el fin de poder caracterizar el material y lograr aplicar los esfuerzos necesarios para la lámina con la cual se desarrollo el modelo matemático para luego realizar el proceso de embutición. El proveedor de la lámina, Mundial de Aluminios, suministró una ficha técnica (ver anexo 1) con las propiedades de los diferentes aluminios que se manejaban. Sin embargo, no logró especificar cual de los aluminios era el utilizado en la lamina. Por esta razón, se llevo acabo un proceso de caracterización para encontrar con que tipo de aleación de aluminio se iba a trabajar y cuales eran sus propiedades mecánicas. Para realizar las pruebas del aluminio y poder caracterizarlo se siguió la norma ASTM 646 “Tensile strain-hardening exponents (n-values) of metalic sheet materials”. En esta norma se encuentran tanto las dimensiones de la probeta como la forma de realizar la prueba. En el CIPEM se encuentra el troquel con las dimensiones especificadas en la norma y con este se hicieron seis probetas tomadas de diferentes partes y en diferente sentido de la lámina de aluminio de dimensiones 1m por 1m por 0.2mm de espesor. En la figura 1 se muestran las probetas luego de la prueba de tensión.. Figura 11. 1. Pruebas realizadas en el CIPEM en la máquina de ensayos universal INSTRON. Supervisor: Fabián Présiga.. 5.

(6) Con los datos obtenidos durante la prueba se obtuvo la curva de esfuerzodeformación como se muestra en la figura 2.. Esfuerzo (MPa). ESFUERZO - DEFORMACIÓN PARA 6 PROBETAS 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 -20 0 -40. Probeta 1 Probeta 2 Probeta 3 Probeta 4 Probeta 5 Probeta 6 0,002. 0,004. 0,006. 0,008. 0,01. 0,012. 0,014. 0,016. Deformación (mm/mm) Figura 2. Luego de hacer el análisis de los datos obtenidos de las seis probetas se encontraron las propiedades mecánicas del material como se muestra a continuación: Esfuerzo de tracción: Media: 160.46 MPa Desviación estándar: 5.67 MPa Esfuerzo de fluencia al 0.2%: Media: 156.55 MPa Desviación estándar: 4.83 MPa Módulo de elasticidad: Media: 71.55 GPa Desviación estándar: 4.92 GPa Ya teniendo los valores experimentales de los esfuerzos obtenidos durante las pruebas realizadas se pudo comparar los valores de la ficha técnica enviada por el proveedor y los valores encontrados en los diferentes libros con los experimentales para así lograr determinar el tipo de aleación y temple del aluminio. El análisis dio como resultado que el material a embutir es una aleación de aluminio 3003 con temple H14. Esto significa que es una aleación de aluminio, cobre y silicio que en algunos casos se puede tratar por envejecimiento. Aporta una resistencia a la tensión media entre 0 y 18. Con lo anterior, se tiene caracterizado el material y se puede comenzar a desarrollar el modelo teórico. 6.

(7) 3. MEMORIA DE CÁLCULOS. Para el proceso de embutición se encuentra bastante bibliografía con modelos matemáticos para lograr determinar las fuerzas requeridas por el dispositivo. En este caso se escogió el modelo de Groover ya que puede ser aplicado para diferentes espesores de lámina, y tiene la posibilidad de variar el diámetro de la chapa, diámetro del punzón, el esfuerzo de tensión y de fluencia. Para poder comenzar a utilizar el modelo es importante tener claro cuales son las variables más relevantes durante el proceso de embutición, las fuerzas a determinar y cual será la nomenclatura. Esto se puede ver en la figura 3.. Figura 3. Tomado de Groover pg. 514 (a) Conjunto de matriz, punzón y prensachapa con la chapa en la mitad del dispositivo. (1) Chapa antes de la embutición. (2) Chapa luego de la embutición.. Donde Fh es la fuerza de la prensachapa, F la fuerza del punzón, y v la velocidad de embutición. Para estar acorde con uno de los objetivos específicos del proyecto de grado, donde se habla sobre las dimensiones del recipiente cilíndrico que se quiere obtener, se realizaron los cálculos necesarios para determinar el tamaño del recipiente obtenido luego de la embutición. A continuación se mostrará el proceso que se siguió para la obtención de las dimensiones del recipiente y después aplicar el modelo matemático donde se hallaron las fuerzas.. 7.

(8) Espesor de la lámina (t): 0.2 mm Diámetro de la chapa (Db): 67 mm Diámetro del punzón (Dp): 40 mm El diámetro de la chapa se determinó como 67mm ya que en el CIPEM se encuentra un troquel para el espesor de lámina deseado de esa dimensión. Con el espesor de lámina y diámetro de la chapa y del punzón se puede determinar el resto de dimensiones del recipiente cilíndrico como se muestra en las siguientes ecuaciones: Volumen =. π 4. ⋅ (66.5 2 ) ⋅ 0.2 = 694.65mm 3. π. 694.65mm 3 =. 4. ⋅ (40.4 2 h − 40 2 ( h − 0.2) ). h = 17.5mm Ya teniendo completamente definido el recipiente cilíndrico se debe analizar si se puede o no realizar la embutición. Para esto, se utilizaron las relaciones de factibilidad que se encuentran a continuación: Relación de embutición DR: DR =. Db Dp. Rata de reducción: r=. Db − D p Db. Donde Dp es el diámetro del punzón y Db es el diámetro de la chapa. Para que sea posible realizar el proceso, las condiciones de factibilidad deben estar dentro del rango que se muestra. DR ≤ 2 r ≤ 0 .5. Los resultados encontrados en las relaciones son los siguientes: DR =. Db 67 = = 1.67 D p 40. 8.

(9) r=. Db − D p Db. =. 67 − 40 = 0.4 67. Debido a que las dos condiciones de factibilidad del proceso de embutición se cumplen, se puede proceder a desarrollar el modelo matemático que determina las fuerzas necesarias que debe ejercer el punzón y luego se debe analizar si es necesario o no la utilización de la prensachapa. Después de haber encontrado que si era posible realizar la embutición del recipiente, se pudo comenzar a aplicar el modelo teórico de Groover para encontrar las fuerzas requeridas por el punzón y la prensachapa. La ecuación que, según Groover, describe la fuerza que debe ejercer el punzón sobre la chapa para lograr embutirla esta dada por: ⎞ ⎛ Db F = D p t (TS )π ⎜⎜ − 0.7 ⎟⎟ = 3 881.33 N ⎠ ⎝ Dp. Donde t es el espesor de la chapa, TS es el esfuerzo de tracción del aluminio encontrado experimentalmente, Dp es el diámetro del punzón y Db es el diámetro de la chapa Esto quiere decir que el punzón necesita aproximadamente 3.8kN para vencer la resistencia que está ejerciendo la chapa en el momento de la embutición. Por otro lado, se debe determinar si es necesaria la utilización de la prensachapa para el recipiente con las dimensiones requeridas. Es importante notar que la función principal de la prensachapa es evitar la formación de pliegues durante el proceso de embutición. Esto se logra ejerciendo una fuerza entre la chapa y la matriz de embutición para que durante el recorrido presione el material de tal manera hasta el final del recorrido el material no tienda a doblarse. Las condiciones de factibilidad para no usar prensachapa son las siguientes: Db – Dp < 5t. l 3 → t 1 Siendo l la distancia de la chapa que hay desde que se termina el punzón hasta el diámetro máximo de la chapa antes de comenzar la embutición, como se muestra en la figura 3. En este caso los resultados obtenidos de las relaciones se muestran a continuación:. 9.

(10) 67 - 40. ? <. 5*0.2. l 13.5 67.5 = = t 0.2 1 Las condiciones no se cumplen. Para el recipiente cilíndrico que se desea embutir teniendo en cuenta las dimensiones definidas desde un comienzo no es posible realizar el proceso de embutición sin utilizar la prensachapa si se quiere evitar al máximo los pliegues. Con esta información se determina que es indispensable utilizar prensachapa. Para esto se determina la fuerza que debe ejercer la prensachapa:. (. (. Fh = 0.015Yπ Db2 − D p + 2.2t + 2 Rd. ) ) = 18 000 N 2. Donde Y es el esfuerzo de fluencia, t es el espesor y Rd es el radio de redondeo de la matriz. Esto significa que debe haber una fuerza de 18kN sobre la chapa para evitar que se creen pliegues. Es importante notar que la magnitud de la fuerza es bastante elevada teniendo en cuenta las dimensiones del recipiente. Otro factor importante para tener en cuenta en el proceso de embutición, es radio de redondeo de la matriz de embutición. El radio juega un papel muy importante en el recorrido de la matriz ya que si es muy pequeño tiende a rasgar el material y si es muy grande puede hacer que la prensachapa pierda eficiencia y da lugar a más pliegues. La ecuación que describe el radio de redondeo de la matriz de embutición esta dada por: Rd =. (. ). 0.04 Db ⋅ 50 + Db − D p ⋅ t = 2.3mm β 100 D p. Con esta información se puede pensar que la matriz requiere que se le haga un radio de redondeo 2.3mm para que no dañe la chapa durante el proceso de embutición. Para finalizar con los factores más relevantes de la embutición se encuentra el huelgo. Este está definido en la figura 3 por la letra c. El huelgo es el espacio que hay entre el punzón y la matriz de embutición. Este también influye en que exista la formación de pliegues si es muy grande pero también puede rasgar la chapa si es muy pequeño. En la bibliografía consultada se encontró que el huelgo ideal es de 1.45 veces el espesor, en este caso 0.2mm*1.45=0.29mm.. 10.

(11) También hacen la aclaración que puede varias entre 1.2 y 1.9 veces el espesor de la lámina. Para terminar la memoria de cálculos, es importante notar los cambios en magnitudes de las fuerzas, tanto del punzón como de la prensachapa, que se requieren para embutir un recipiente más pequeño o uno más grande al que el que se va a embutir. Para esto se decidió hacer los cálculos teóricos donde se determinan las fuerzas requeridas tanto por la prensachapa como por el punzón, se le asignaron dimensiones al azar a los recipientes y así poder comparar la diferencia en las magnitudes de las fuerzas. A continuación se muestra una tabla con los resultados: Dimensiones de un recipiente más pequeño: Altura (h): 15.2 mm Espesor de la lámina (t): 0.2 mm Diámetro de la chapa (Db): 40.4 mm Diámetro del punzón (Dp): 20 mm Dimensiones de un recipiente más grande: Espesor (t): 0.2 mm Altura (h): 40 mm Diámetro del punzón (Dp): 59.6mm Diámetro de la chapa (Db): 114.54 mm Las fuerzas necesarias para la embutición del punzón (F) y de la prensachapa (Fh) se encuentran a continuación:. F (N) Fh (N). Recipiente grande Recipiente pequeño 14091,07 5376,19 66378,09 7634,32. Como se puede observar en la tabla, las fuerzas necesarias para lograr embutir el recipiente cilíndrico grande son muy elevadas y requerirían un dispositivo muy robusto y además costoso para lograr soportar las fuerzas. Por otro lado, las fuerzas necesarias para embutir el recipiente cilíndrico pequeño son aceptables y si se mira la diferencia entre la fuerza de la prensachapa y del punzón se puede ver que son muy cercanas. Esto se debe a que la cantidad de lámina que se debe presionar durante el recorrido de la embutición es más pequeño que el diámetro del punzón. Se tomó la decisión de hacer el recipiente cilíndrico que tiene la chapa de 67mm debido a que es el diámetro del troquel que se encuentra en le CIPEM.. 11.

(12) Ya teniendo el modelo matemático se puede comenzar a diseñar el dispositivo teniendo en cuenta las fuerzas que debe soportar para poder tomar decisiones acertadas del material en que deben ser construidas de las diferentes partes, el tamaño del dispositivo y el funcionamiento.. 12.

(13) 4. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL DISPOSITIVO. Figura 4. En el momento de comenzar a diseñar el dispositivo había que tener en cuenta varios factores fundamentales para que el resultado de la embutición fuera el deseado. Cada uno de los factores debía ser tenido en cuenta y en el momento de encontrar la mejor solución debía analizarse que esa solución no perjudicara al resto de los factores. Los factores que mas influyeron para el diseño del dispositivo de embutición son la linealidad del dispositivo, el material que se seleccione, el acople en la máquina de ensayos universal y los resortes o algún tipo de mecanismo que logre generar la fuerza de la prensachapa. Luego de diseñar el diseño del dispositivo, se debe determinar de manera experimental el radio de redondeo de la matriz de embutición, el huelgo para así determinarlos con más exactitud y luego comenzar a experimentar con resortes que tengan diferentes constantes y por lo tanto generen diferentes fuerzas en la prensachapa. Se diseñaron dos dispositivos y luego de analizar los costos, la facilidad de acople en la maquina de ensayos universal, la cantidad de piezas que tendría el dispositivo, la forma de retirar el recipiente luego de embutido y el poder garantizar linealidad durante el proceso de embutición, se escogió el que se muestra en la figura 4 (ver planos en anexo 2).. 13.

(14) 4.1. CONSTRUCCIÓN DEL DISEÑO SELECCIONADO DEL DISPOSITIVO. El primer factor para tener en cuenta es la linealidad del movimiento del dispositivo ya que si se inclina puede romper la lámina antes de terminar el proceso de embutición, cosa que no es deseable. Para evitar que esto pasara se decidió que el dispositivo tuviera seis guías que garantizaran la linealidad. Las seis guías debían estar muy bien alineadas ya que si no era de esa manera no se lograba hacer el recorrido completo y la fricción entre las guías y la matriz de embutición era tan alta que terminaba dañado el dispositivo. Para este trabajo era importante contar con la ayuda de una empresa con experiencia, en este caso INAMEC, lugar donde se manufacturó el dispositivo en su totalidad. El segundo factor es seleccionar el material que resista las cargas que va a ejercer la máquina de ensayos universal sobre el dispositivo. Se decidió, por facilidad de uso, costos y disponibilidad en la industria, utilizar resortes para generar la fuerza de la prensachapa. Para esto se hicieron los siguientes cálculos: La prensachapa debe hacer una fuerza de 18 kN aproximadamente que se quiere alcanzar en un desplazamiento de 22mm. La fuerza requerida por el punzón es de 3.8 kN aproximadamente. Son seis guías y por consiguiente seis resortes que deben soportar la fuerza de la prensachapa que es la máxima fuerza teóricamente encontrada. F prensachapa = 18kN F prensachapa 6. = 3kN = Fresorte. Suponiendo que el resorte logra hacer un recorrido de 50cm para alcanzar la fuerza requerida por la prensachapa se pude hallar el k del resorte: Fresorte = kx N 3,000 N = 136,364 m 0.022m. Los esfuerzos que debe soportar la prensachapa se hallan a continuación:. 14.

(15) σ matriz =. F prensachapa A prensachapa. σ matriz. π. ⋅ (140 2 − 40 2 − 6 ⋅ 10 2 ) = 13,665.9mm 2 4 18000 = = 1.32MPa 0.0137. A prensachapa =. Por otro lado, se analizan los esfuerzos que genera cada resorte sobre la prensachapa.. σ resorte = Aresorte =. σ resorte =. Fresorte Aresorte. π 4. ⋅ (0.02 2 − 0.012 ) = 2.36 ⋅ 10 − 4 m 2. 3,000 = 12MPa 2.36 ⋅ 10 − 4. Los esfuerzos cortantes en la matriz son los siguientes:. σ permitido =. Ftotal Aexp uesta. Aresorte = 2π ⋅ (0.015) ⋅ 0.015 = 1.41 ⋅ 10 −3 m 2. σ resorte =. 3,000 = 2.12MPa 1.41 ⋅ 10 −3. Con los cálculos encontrados anteriormente se puede llegó a la conclusión que, para las fuerzas encontradas en la memoria de cálculos, el dispositivo podía ser manufacturado en acero 1020. Sin embargo, debido a la fricción generada entre el punzón y la chapa y también entre el radio de redondeo de la matriz de embutición se decidió hacer tanto la matriz como el punzón en acero 1045. Otro de los factores tenidos en cuenta es que el dispositivo debe ser diseñado para embutir en la máquina de ensayos universal del laboratorio de Ingeniería Mecánica, deber ser diseñado para que se acople en la máquina. Luego de mirar varias opciones se concluyó que mejor y más sencilla forma de hacerlo era tener el dispositivo completamente plano tanto en la base como en la parte superior, lugar donde la máquina aplica la fuerza. El ultimo factor se que tuvo en cuenta para el diseño fue la fuerza generada por los resortes. Para determinar esa fuerza se mira la máxima fuerza aplicada sobre el mecanismo que en este caso es la ejercida por la prensachapa, 18kN.. 15.

(16) En ese momento, se comenzó a diseñar los resortes como se muestra a continuación:. Fprensachapa = 18kN Fprensachapa 6. = 3kN = Fresorte. La fuerza de la prensachapa se divide en seis ya que son seis guías y cada una lleva un resorte. Con la fuerza que debe soportar cada resorte se halla la constante del resorte k. Fresorte = kx N 3000 N = 150,000 m 0.02m. La constante del resorte permite dimensionarlo, sin embargo, con una constate de 150,000 N/m, el resorte daba unas dimensiones que no tienen sentido para realizar una embutición de un recipiente con las dimensiones requeridas. Por este motivo, se decidió dejar las dimensiones del resorte para determinar experimentalmente. Finalmente, teniendo los factores solucionados se diseño el dispositivo en SolidEdge como se muestra en la figura 4. Ya teniendo el diseño se hicieron los planos (ver anexo 2) y se mandó a manufacturar el dispositivo. Las siguientes imágenes muestran el dispositivo ya terminado con un radio de 2mm en el punzón pero sin radio de redondeo en la matriz.. Figura 5. Figura 6. 16.

(17) La figura 6 muestra el dispositivo en el nivel máximo de compresión y la figura 5 muestra el dispositivo sin comprimir. En ambos casos el dispositivo se encuentra montado en la máquina de ensayos universal del laboratorio de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Los Andes.. 17.

(18) 5. DISEÑO DEL EXPERIMENTO. Para establecer el procedimiento que se debe seguir en el proceso de embutición se diseñó un experimento en el cual se modifica el dispositivo de tal forma que se tengan en cuenta todas las variables que podrían modificar el resultado final. En el diseño teórico del dispositivo se encontró que era necesario hacer un radio de 2.3 mm en la matriz y debido a que inicialmente la matriz no tenia este se realizaron pruebas teniendo en cuenta que posiblemente se debería realizar este. Se consideró que una de las variables importantes era si la prensachapa tenia un efecto práctico sobre la embutición. Las otras dos características a considerar eran la cantidad de resortes y la temperatura de la lámina. Después de estas pruebas se hizo evidente que el radio de 2 mm era indispensable y se realizaron las mismas pruebas iniciales.. r = 0 mm.. r = 2 mm.. En la anterior tabla se puede observar el diseño del experimento. Al lado derecho de la tabla de encuentran las algunas fotos tomadas después de realizar las pruebas. En total se hicieron 129 pruebas. Luego de hacer el radio en la matriz se encontró que con 6 resortes, de cada 5 chapas 1 se rasgaba. En imágenes se ve claramente que sin el uso de la prensachapa forman grandes pliegues desde el comienzo de la embutición. También se puede observar que antes de hacerle el radio de 2mm a la matriz de embutición las piezas se. 18.

(19) rasgaban y no se logró terminar de embutir satisfactoriamente sin que antes se rompiera. Luego de hacer el radio de redondeo se puede observar que la embutición se puede culminar y que a medida que la fuerza de la prensachapa aumenta, al aumentar el numero de los resortes, se generan menos pliegues. Sin embargo, es importante hacer notar que a medida que aumenta la fuerza de la prensachapa es más complicado terminar la embutición sin que antes se rasgue la lámina.. 19.

(20) 5.1. PRUEBAS REALIZADAS. Las pruebas realizadas se hicieron de acuerdo al diseño del experimento. Se realizaron pruebas con y sin prensachapa para determinar si en realidad esta era necesaria. Se modificó la cantidad de resortes y su configuración en el dispositivo para identificar un punto de equilibrio en el cual los pliegues se minimizaran y las piezas embutidas no se rasgaran. Fue importante determinar si era posible realizar este proceso en caliente y si de ser así, se justificaría teniendo en cuenta los resultados obtenidos.. 5.1.1 CON Y SIN PRENSACHAPA Se realizaron un total de 4 pruebas sin utilizar prensachapa en las que fue evidente la necesidad de usarla. Tres de las cuatro pruebas fueron realizadas antes de hacer el radio en la matriz y se vio que aunque ninguna de las piezas se rasgaba, los pliegues que se presentaban en las paredes eran de un tamaño considerable. Después de hacer el redondeo en la matriz se realizo una prueba en la que se vio que el resultado no cambiaba. Se suspendieron las pruebas sin prensachapa ya que el radio de la matriz no afectaba los resultados y los defectos que se presentaban en el proceso de embutición hacían que las piezas embutidas fueran inaceptables, como se ve en la figura 7. La figura muestra claramente que los pliegues se comienzan a formar desde el comienzo de la embutición generando así arrugas muy grandes.. Figura 7. Se encontró que el uso de prensachapa es indispensable ya que aunque se presentan rasgaduras en aproximadamente el 20% de las piezas, los pliegues disminuyen considerablemente. A medida que la fuerza de la prensachapa aumenta los pliegues disminuyen. Esta fuerza se puede variar colocando diferente cantidad de resortes en el dispositivo siempre que sea simétrica la distribución de los mismos, lo que significa que se pueden utilizar 2, 3 o 6 resortes. Luego de la experimentación se notó que con seis resortes, cada uno con un k de 26,900N/m determinado experimentalmente, se logra un resultado con pequeñas arrugas. Sin embargo, antes de terminar la embutición se rasga el material en la parte superior ya que no soporta las fuerzas ejercidas sobre este, como se muestra en la figura 8.. 20.

(21) Figura 8. 5.1.2 DETERMINAR EL RADIO REQUERIDO EN LA MATRIZ EXPERIMENTALMENTE Fue importante determinar si el radio teórico de la matriz era necesario. Como primera medida, se hicieron tres pruebas sin utilizar prensachapa y la lámina no se rasgo aunque presentaba pliegues desde la base del recipiente, como se muestra en la figura 9. Sin embargo, cuando se comenzó a utilizar la prensachapa, la chapa se rasgaba desde el comienzo de la embutición, como se muestra en la figura 10, incluso aplicándole el mínimo de fuerza al material. Esto hizo evidente que el radio de redondeo en la matriz de embutición era indispensable en el proceso. Debido a que en los cálculos teóricos se halló que el radio debía ser de 2.3mm, se decidió hacer un radio de 2mm y experimentar.. Figura 9. 21.

(22) Figura 10. Los resultados obtenidos eran buenos pero fue necesario hacer un huelgo de 2*t y no de 1.45*t como se recomendaba en los libros. Ya con estas dimensiones se logró embutir el recipiente cilíndrico utilizando los seis resortes, que generaban la fuerza máxima de embutición. Esto arrojó resultados que únicamente presentan pliegues al final del proceso y el recipiente queda con una forma cilíndrica uniforme. Este recipiente se muestra en la figura 11. También se hicieron algunas pruebas extras con resortes de una k mayor a 26,900N/m y no se logró completar el proceso de embutición satisfactoriamente con ninguna de las chapas y un ejemplo se encuentra en la figura 8.. Figura 11. Después de realizar todas las pruebas se encontró que el radio de redondeo de la matriz de embutición se puede dejar de 2mm y se tienen los resultados. 22.

(23) esperados. Este radio es muy similar al encontrado teóricamente y por esto se puede decir que el modelo utilizado para la medida del radio es acertado en este caso específico.. 5.1.3 CALENTANDO EL MATERIAL En esta parte de la experimentación se quiere mirar si se obtienen mejores resultados al calentar la lámina y también que ocurre en el momento de la embutición. Es importante tener en cuenta que la temperatura para trabajo en caliente del aluminio está alrededor de los 450°C y la de trabajo en tibio está alrededor de los 400°C. Para esta parte de las pruebas se calentó la mufla a 400°C y se dejaron las chapas entre media y una hora calentando. Luego de completar el tiempo dentro de la mufla se sacaba una chapa con las pinzas y se ponía inmediatamente en el dispositivo. Luego se armaba el dispositivo y se colocaba en la máquina de ensayos universal para comenzar la embutición. Luego de hacer varias pruebas antes de hacer el radio de redondeo y después de tenerlo, se observó que los resultados son los mismos como se muestra en la figura 12 donde se embutió la chapa con seis resortes luego de dejarla en la mufla por una hora. También se puede ver en la figura 13 una chapa precalentada embutida sin prensachapa.. Figura 12.. Figura 13.. No se encontró ninguna diferencia significativa en las piezas al calentar las láminas y se podría afirmar que en realidad no es posible realizar una embutición en caliente o en tibio. Esto se debe a que en el momento de realizar la embutición las láminas ya se encontraban a temperatura ambiente. Si eventualmente se quiere realizar embutición en caliente hay que precalentar el dispositivo y lograr que la chapa llegue a la temperatura deseada al dispositivo. Esto genera una serie de problemas ya que manipular el dispositivo al la temperatura necesaria es muy complicado.. 23.

(24) 5.2. RESULTADOS EXPERIMETALES. Luego de hacer las 129 pruebas se pudo encontrar las fuerzas ejercidas por el punzón y la prensachapa experimentalmente. También se halló la constante del resorte que se le acopló al dispositivo de manera experimental ya que la constante del resorte encontrada teóricamente tiene una magnitud muy grande y al diseñar el resorte se encontró que las dimensiones no tenían sentido. Después de las pruebas realizadas se encontraron los siguientes datos experimentalmente: Fuerza de embutición = F = 500 lbf = 2.24 kN Comparando este resultado con el obtenido teóricamente, 3.8 kN, se puede observar que, aunque la fuerza experimental sea menor, está cerca del modelo matemático. Fuerza prensachapa = Fh = 800 lbf = 3.56 kN La fuerza de la prensachapa encontrada experimentalmente es mucho menor que la encontrada teóricamente. Esto era de esperarse ya que la fuerza era tan grande que no se pudo hacer el resorte con la constante obtenida experimentalmente. Radio matriz = Rd = 2 mm El radio de redondeo de la matriz obtenido teóricamente es muy cercano al obtenido experimentalmente. Huelgo punzón-matriz = 2*t = 0.4 mm El huelgo ideal es de 1.45*t lo que experimentalmente se encontró que es muy poco y finalmente se concluyó que el dispositivo funciona como se quiere con 2*t. Resortes: k = 26,900 N/m Longitud = 80 mm La constante de los resortes que se acoplaron al dispositivo se determinó comprimiendo el dispositivo sin chapa hasta el máximo, 22mm, y mirando la fuerza en la Máquina de Ensayos Universal, 800lbf ó 3560N. Los cálculos se realizaron de la siguiente manera:. 24.

(25) F prensachapa = 3.56kN F prensachapa 6. = 593.3 N = Fresorte. La constante del resorte se halla de la siguiente manera: Fresorte = kx N 593.3 N = 2,698.2 m 0.022m. Por otro lado, la longitud de los resortes la determina la altura del punzón, 80mm. Con esto se buscó que al iniciar la embutición se comenzaran a comprimir los resortes y a la vez se comenzara a embutir la chapa. Velocidad de embutición ≈ 0.7 mm/s La velocidad de embutición se determinó de manera puramente experimental. En muchas de las pruebas realizadas se tomó el tiempo que dura el proceso de embutición para 1 lámina teniendo en cuenta que la distancia recorrida de 22mm.. x t mm 22mm V embutición= = 0.73 s 30s V embutición=. Lubricantes En la bibliografía consultada se recomienda que para embutir aluminio y aleaciones de aluminio con espesores entre 0.2mm y 3mm es posible utilizar gran variedad de lubricantes como lo es el aceite de baja viscosidad, aceite de vaselina, aceite con grafito, entre otros. Para este caso específico se utilizo aceite 3 en 1 y el aceite que se encuentra disponible en el laboratorio de Mecánica de la Universidad. Se observo, como se encontró en la bibliografía, que la diferencia de viscosidades no tiene mayor impacto en los resultados obtenidos.. 25.

(26) 6. 6.1. ANÁLISIS DE RESULTADOS. RADIOS DE EMBUTICIÓN. En el momento de comenzar la manufactura del dispositivo era indispensable decidir el radio de redondeo que debía tener el punzón para poder soldarlo a la base y luego soldar las seis guías. Como primera medida, se decidió hacer todo el dispositivo en acero 1045 para tener un factor de seguridad asociado. Luego se decidió que el radio del punzón decía ser de 2mm ya que en la compañía donde se mandó a hacer ya tenían experiencia con embutición y experimentalmente había llegado a ese valor en casos anteriores. Por otra parte, había que determinar experimentalmente el radio de redondeo de la matriz de embutición. Al hacer pruebas sin un radio de redondeo y luego de hacer el radio necesario, se vio la importancia de este en el proceso de embutición. Experimentalmente se encontró que en todas las pruebas realizadas sin radio de redondeo se producía un rasgado en la base de la pieza poco tiempo después de empezar a embutir (figura 14 y 15), sin importar la fuerza ejercida por la prensachapa. Se vio la necesidad de hacer el radio de redondeo ya que todas las piezas fueron defectuosas.. Figura 14.. Figura 15.. Se realizó un radio de redondeo de 2 mm en la matriz y se encontró, que aunque se generaban pequeños pliegues en las caras laterales de la pieza embutida, se podía completar el proceso de embutición, utilizando los seis resortes de k=26,900N/m, disminuyendo el numero de piezas rotas a solo un 20%, como se muestra en la figura 11.. 26.

(27) 6.2. PLIEGUES PRESENTES EN LA EMBUTICIÓN. Se realizaron varias pruebas para entender porque se presentaban los pliegues en las paredes de los recipientes cilíndricos y de esta forma determinar cuales soluciones eran viables para evitarlos o por lo menos disminuirlos al máximo. Desde un principio, se hizo evidente que la fuerza ejercida por la prensachapa era vital para evitar pliegues, pero era necesario encontrar un equilibrio ya que al aumentar considerablemente la fuerza se producían rupturas en la base. En la figura 14 se pueden observar pliegues bastante marcados ya que se embutió utilizando solo tres resortes y la prensachapa no alcanzaba a generar la fuerza necesaria para evitarlos. Por el contrario, en la figura 15, se realizo la prueba con 6 resortes y se vio que los pliegues disminuyen considerablemente y tienden a no formarse.. Figura 16.. Figura 17.. 27.

(28) 6.3. EFECTOS DE LA FUERZA EJERCIDA POR LA PRENSACHAPA. Cómo ya se ha mencionado anteriormente, la fuerza que ejerce la prensachapa sobre la chapa es el factor más relevante para evitar la formación de pliegues en la chapa. Sin esta fuerza se puede embutir pero el producto no es el deseado ya que tiene pliegues desde la base del recipiente cilíndrico. Las pruebas dieron resultados muy cercanos a los expresados en las bibliografías consultadas. En todas se mencionó la importancia de utilizar prensachapa y que sin ella se formarían pliegues siempre que no se cumplieran las relaciones mostradas en la memoria de cálculos, como sucedió en este caso. Sin la utilización de la prensachapa las piezas obtenidas tienen pliegues muy grandes, como se muestra en la figura 18. Por otro lado, se pudo observar el caso contrario, si se aumenta mucho la fuerza en la prensachapa se rasga el material al comienzo de la embutición, como se ve en la figura 8.. Figura 18. 28.

(29) 7. CONCLUSIONES. Luego de culminar las pruebas, se encontró que el radio de redondeo de la matriz de embutición resultó ser muy cercano al determinado teóricamente. Teóricamente se encontró que el radio de redondeo debía ser de 2.3mm. Experimentalmente se comprobó que el dispositivo embute satisfactoriamente con un radio de redondeo de 2mm. Por otra parte, después de realizar muchas pruebas con diferentes resortes en diversas configuraciones, se determinó que la relación ideal entre piezas rasgadas y pliegues se obtuvo al utilizar 6 resorte con un k = 26900N/m. Con esto se obtuvo que el 80% de las piezas quedaban de la forma deseada, presentando únicamente unos pequeños pliegues al terminar la embutición (figura 11, 16 y 17). Con la anterior información, se decidió entregar el dispositivo con los seis resortes de constante k = 26,900N/m ya que logra entregar los mejores resultados. Para finalizar, los resultados arrojaron una clara relación entre la formación de pliegues y la fuerza ejercida por la prensachapa. Durante el proceso de embutición se quiere lograr un equilibrio tal que no se rasgue la chapa pero que tampoco se formen grandes pliegues. Esto se logró por medio de la experimentación y con esto se puedo determinar la cantidad de resortes utilizados que generan la fuerza deseada para el proceso de embutición.. 29.

(30) 8. BIBLIOGRAFÍA. OLARTE GONZÁLEZ, Mario Gonzalo (1983). Diseño y construcción de un dispositivo para pruebas de embutición. Tesis de Ingeniería Mecánica. Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia. LÓPEZ NAVARRO, Tomás. Troquelado y estampado: con aplicaciones al punzonado, doblado, embutición y extrusión. Segunda edición, Barcelona, Gustavo Gili, 1958. ZHARKOV, Valery Alexeevich. Theory and practice of deep drawing. London, Mechanical Engineering Publications, 1995. KALPAKJIAN, Serope. Manufacturing processes for engineering materials. Second edition, Addison-Wesley, 1991. GROOVER, Mikell P. Fundamentals of modern manufacturing: materials, processes, and systems. New York : Chichester : John Wiley & Sons, c2002. Oehler-Kaiser. Herramientas de troquelar, estampar y embutir. Segunda edición, Barcelona, Gustavo Gili, 1977. “Metals Handbook”. Vol. 14 Taller INAMEC. Construcción del dispositivo.. 30.

(31) ANEXO 1. 31.

(32) FICHA TECNICA BANDA LISA COMPOSICION QUIMICA % Cu Aleac. % Si+Fe 1100 3003. 0.95 (Si+Fe) 0.06 0.70. DIMENSIONES ESPESOR ALEACIONES : ANCHO TEMPLES. 0.05-0.20 0.05-0.20. % Mn. % Mg % Cr. 0.05 1-1.5. -----. -----. % Ni. % Zn. Otros. -----. 0.10 0.10. 0.05 0.05. % Al 99 Reman.. : 0.15mm a 3.0mm 1100 y 3003 : 28mm a 1000mm : 0, H12, H14, H16, H18,F. PROPIEDADES ELECTRICAS La resistividad eléctrica para planchas de 90x210en espesores entre 5 a 25 mm en aleación 1100 es: 0.000003 ohm-cm PROPIEDADES MECANICAS ALEACION. Y TEMPLE RESISTENCIA-TRACCION (psi) 1100 0 11000-15500 1100 H12 14000-19000 1100 H14 16000-21000 1100 H16 19000-24000 1100 H18 22000 3003 0 13000-18000 3003 H12 16000-22000 3003 H14 19000-25000 3003 H16 23000-29000 3003 H18 26000. LIM.ELAST. (psi) 3500 11000 14000 17000 ----4500 11000 16000 20000 -----. OBSERVACIONES • • •. •. •. Para el cumplimiento del ancho de la banda se debe tener en consideración el espesor solicitado. El caber máximos de 3mm en 1000 mm de longitud Los rollos reafilados de un mismo rollo madre son empacados en un solo guacal y en la hoja de recolección de datos se anota el número de bulto y los rollos que contiene. Los rollos de cada bulto van envueltos en polietileno, cartón corrugado y pelex. El skid de madera va sujetado con suncho metálico. Los rollos no deben tener los siguientes defectos determinados por inspección visual: orillos arrugados, golpes en las orillas, ralladuras y/o superficies defectuosas, oxidación, manchas, contaminación, arrugas y/o perforaciones, defectos de corte, desalineamiento, rebaba, y rollos mal empacados. La partida arancelaria para las bandas lisas es : 76.06.12.9000. 32.

(33) ANEXO 2. 33.

(34) 34.

(35) 36.

(36) 38.

(37) 40.

(38) 42.

(39) 43.

(40)

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