Tema 3.1. Introducción al Conformado Plástico PDF

1. Introducción Definición Proceso de fabricación por deformación permanente de un cuerpo sólido, mediante la acción de fuerzas exteriores (compresión, tracción, flexión, etc.), con o sin aplicación de calor, que conlleva una modificación de la geometría del mismo y una variación de sus caract...

1. Introducción Definición Proceso de fabricación por deformación permanente de un cuerpo sólido, mediante la acción de fuerzas exteriores (compresión, tracción, flexión, etc.), con o sin aplicación de calor, que conlleva una modificación de la geometría del mismo y una variación de sus características mecánicas. 4 1. Introducción Características de los PCDP: Materiales con amplio período plástico (dúctiles)  Soportan deformación permanente sin destruir sus enlaces moleculares  Aceros y metales no férreos maleables Se alcanzan cambios significativos en la geometría de la pieza (dar forma) Incremento de resistencia Conformado a volumen constante % Desperdicios pequeño En frío o en caliente Grandes esfuerzos Maquinaria y automatización (alta producción) Buenos acabados + tolerancias estrechas 5 1. Introducción Durante la deformación plástica, los límites de los granos permanecen intactos y la continuidad de la masa se mantiene. Los granos se alargan en una dirección y se contraen en otra  Anisotropía  Propiedades en dirección vertical distintas a las de dirección horizontal. La anisotropía influye en las propiedades mecánicas finales de los materiales. 6 2. Comportamiento plástico de los materiales Ensayo de Tracción 7 2. Comportamiento plástico de los materiales Diagrama Esfuerzo - Deformación Límite proporcionalidad  Esfuerzo proporcional a la deformación unitaria  Al cesar el esfuerzo el material recupera su L inicial Zona plástica  Al aumentar el esfuerzo la deformación unitaria aumenta rápidamente  El material no recupera su L inicial  El material ha adquirido deformación permanente Tensión última  A partir de este punto, aún   K n reduciendo la tensión el material sigue deformando. El material se deforma hasta un máximo  Punto de ruptura Distancia entre el límite elástico y punto de ruptura  Zona plástica Distancia grande  Material dúctil Distancia pequeña  Material frágil 8 2. Comportamiento plástico de los materiales K Coeficiente de resistencia Zona Plástica   K n n  Exponente de endurecimiento por deformación   Esfuerzo   Deformación Valores de K y n para distintos materiales a Tª ambiente 9 2. Comportamiento plástico de los materiales Endurecimiento por deformación plástica  ACRITUD  metal dúctil se vuelve más duro y resistente a medida que se va deformando plásticamente  La deformación se da a una temperatura fría en comparación con la de fusión (trabajo en frío) Aumento del esfuerzo cortante requerido para el deslizamiento  Aumento de la resistencia y dureza del metal  Acritud Cuanto mayor sea la deformación mayor será la acritud Cuando no interesa  Tratamientos térmicos  Recocido Usado ampliamente para endurecer metales trabajados a Tª ambiente: Hojas metálicas para carrocerías de automóviles y fuselajes de aviones mediante laminado en frío. Cabezas de tornillo mediante forjado Endurecimiento de cables mediante trefilado 10 3. Determinación de las cargas de trabajo Criterios de fluencia  equiv. Criterio que permite encontrar un estado de tensión monoaxial equivalente al estado  de tensiones establecido por las tensiones  principales Criterio de Tresca Basado en la tensión tangencial máxima (sobre observaciones experimentales) equivalente = 2 máxima = 1 - 2 Aceptable para materiales dúctiles sometidos a estados de tensión en los que se presentan tensiones tangenciales relativamente grandes. Criterio de Von Mises. (Energía de distorsión) Solo parte de la energía de deformación, la debida al cambio de forma, determina la aparición de deformaciones plásticas: equivalente  1     2    2  3    3  1  2 1 2 2 2  11 3. Determinación de las cargas de trabajo Componentes del trabajo para realizar la deformación plástica de un material Wtotal = WH + WF + WR WH = Trabajo a desarrollar con las condiciones supuestas para la deformación homogénea. WF = Complemento obtenido al considerar el rozamiento. WR = Distorsión interna del material cuando éste se deforma de modo diferente al de fluencia óptima (p.e. posibilidad de cizallamiento adicional). 12 4. La temperatura en conformado plástico Curva de fluencia  Representación válida comportamiento esfuerzo-deformación durante la deformación plástica  En frío Para cualquier metal, los valores de K y n dependen de la temperatura Tanto la resistencia como el endurecimiento por deformación se reducen a altas temperaturas Trabajo en caliente  Obtención de la deformación con F y P menores / cambios en las propiedades mecánicas moderado/peores acabados y tolerancias Trabajo en frío  Se requiere mayor esfuerzo / resistencia del material aumenta de forma permanente / mejores acabados y tolerancias. Frontera trabajo en frío / caliente  Tª de recristalización  Tª a la cual un material deformado instantáneamente recristaliza en una hora (forma granos nuevos a partir de los existentes) Metal Temperatura de fusión (ºC) Temperatura de recristalización (ºC) Pb 327 Temperatura ambiente Sn 232 Temperatura ambiente Zn 420 Temperatura ambiente Al 660 150 Mg 650 200 Ag 962 200 Cu 1085 200 Mo 2610 900 W 3410 1200 13 4. La temperatura en conformado plástico Proceso de formación de nuevos granos a partir de granos ya existentes, previamente deformados en frío. Calentar el material, previamente deformado en frío, hasta una temperatura moderada elevada durante un tiempo corto, provocando un cierto ablandamiento del material sin modificación de su estructura interna Temperatura de referencia 0,5 Tf (temperatura de fusión) Si el material se calienta durante un tiempo prolongado a temperaturas superiores, los granos, que se habían deformado alargándose, tienden a incrementar su tamaño. 14 4. La temperatura en conformado plástico Factores que influyen en la Tª de recristalización · Cantidad de trabajo: mayor grado de deformación  mayor cantidad de energía acumulada  menor Tª de recristalización. · Tamaño de grano antes de la deformación plástica: a menor tamaño de grano  mayor dificultad para deformarlo  mayor energía acumulada  menor Tª de recristalización. · Tiempo de calentamiento para lograr la recristalización: a mayor tiempo menor será la Tª de recristalización. · Impurezas: Si son insolubles no afecta la temperatura de recristalización. Si son solubles  aumenta la Tª de recristalización. 15 4. La temperatura en conformado plástico Ventajas del conformado en caliente: 1. La energía necesaria es menor que la requerida en frío  Menores esfuerzos  Grandes cambios de forma 2. El material no endurece (no hay acritud) 3. La porosidad en el metal es considerablemente eliminada. Estas son prensadas y a la vez eliminadas por la alta presión de trabajo. 4. Las impurezas en forma de inclusiones son distribuidas a través del metal. 5. Temperatura 0,5-0,75 Tª fusión Inconvenientes: 1. Rápida oxidación de la superficie, pobre acabado superficial. No pueden mantenerse tolerancias estrechas. 2. El equipo para trabajo en caliente y los costos de mantenimiento son altos, aunque el proceso es económico comparado con el trabajo de metales a bajas temperaturas 3. Gran consumo energético  Calor 16 4. La temperatura en conformado plástico Ventajas del conformado en frío: 1. No hay aporte calor o es pequeña (0,3 Tª fusión)  ahorro energético 2. Mejores acabados superficiales 3. Mayor resistencia (endurecimiento por deformación) 4. Menor contaminación 5. Favorece anisotropía, confiere propiedades direccionales Inconvenientes: 1. Fuerzas mayores (máquinas más pesadas y potentes) 2. Superficies han de estar limpias y sin cascarillas (incrustaciones o puntos duros) 3. Aumento resistencia por deformación (proceso se vuelve complejo) 4. Tensiones residuales (acritud) 17 5. Fricción y lubricación PCDP  Contacto entre las superficies de la herramienta y el material de trabajo a altas presiones Inconvenientes: Ralentiza el flujo del metal, ocasionando esfuerzos residuales y algunas veces defectos del producto Incremento de F y P Aumenta el desgaste de las herramientas  pérdida de precisión Si el coef. de rozamiento es elevado  Fenómeno de Adherencia  Tendencia de dos superficies en movimiento relativo a pegarse  Esfuerzo de fricción superior a la resistencia a esfuerzo cortante  El metal se deforma por debajo de su superficie Reducir el problema  uso de lubricantes Actúan además como refrigerantes  Reducen la transmisión de calor a las herramientas Determinación del coeficiente de rozamiento  De forma experimental 18 6. Clasificación de los PCDP Forja Estampación Compresión directa Metal fluye Laminación perpendicular a la F Deformación total Extrusión Compresión Embutición indirecta PCDP Estirado Trefilado Tracción Doblado Plegado Flexión Deformación localizada Cizallado Cizallamiento 19