EMBUTICIÓN

OBJETIVOS :

Describir la teoría de la embutición.

Practicar el calculo de las etapas de embutido y desarrollo de la chapa para recipientes cilíndricos.

Ídem. Para embutición rectangular.

Ejercitar el diseño de matrices de embutido en base a condiciones iniciales.

Practicar la embutición con espesor variable.

DESARROLLO

1. TEORÍA DE LA EMBUTICIÓN

1.1. Concepto de embutido : Es una operación que consiste , en obtener una pieza hueca de superficie no desarrollable , partiendo de un recorte , sin que el espesor de la chapa varié.

Es una transformación de superficie por desplazamiento molecular ( si hay estirado , hay disminución del espesor de la chapa ).

1.2. Principios de la operación . Puede efectuarse de dos formas :

Embutición de simple efecto : no lleve dispositivo de retención de chapa.

Embutición de doble efecto : lleva dispositivo de retención de chapa.

a) Embutición de simple efecto . (ENSAYO ERICKSEN).

El recorte presionado por el punzón “P” tiende a penetrar en la matriz.

Punzón de embutición , tiene la forma de la pieza a embutir.

La matriz dispone del agujero para dar paso al punzón , más un espacio igual al espesor del material.

La chapa se arrolla sobre AB , apoyándose en C.

Un punto cualquiera “D” del recorte , ocupa entonces una posición sobre una circunferencia de diámetro más pequeño.

Para lograr la operación de embutido , es decir , producir la transformación de superficie por desplazamiento molecular , la chapa formara pliegues o aumentar de espesor.

Luego en “figura 1” .

En “AB” implica un aumento de espesor , ya que la chapa está sujeta y no puede hacer pliegue.

En “BD” implica una formación de pliegues , porque la chapa puede desformarse libremente , para ocupar posición mas conveniente debido a la iniciación del desplazamiento molecular.

En “figura 2”.

En el punto “B” al tener más espesor la chapa , se produce un laminaje entre el punzón y la sufridera , para devolver a la chapa su espesor primitivo . En el exterior los pliegues aumentan.

En “figura 3”.

En un punto cualquiera de la carrera del punzón se tiene:

De A a E aumento de espesor. De E a F , parte laminada de espesor constante. De F a D , formación de pliegues que deben desaparecer por laminado , al

introducirse en la matriz. Al caer el punto “D” sobre circunferencias cada vez más pequeñas , los pliegues

van aumentando y acaban por recubrirse. El laminado necesario para devolver a estos pliegues el espesor primitivo ,

originaría una acritud demasiado grande , lo que haría que las piezas debieran considerarse defectuosas.

Por lo tanto , concluyendo : la altura de la embutición en esta situación , está limitada por la formación de pliegues . Prácticamente la altura máxima alcanzable , es igual al 15% del diámetro de embutido.

b) Embutición de doble efecto .

Para evitar la formación de pliegues , se dispone el apretachapas.

El apretachapas se aplica antes de comenzar la operación y se mantiene su presión (apropiada) , a lo largo de toda la operación.

El recorte se desliza entre la sufridera y el apretachapa , quedando plano.

Como el aumento de espesor o formación de pliegues , se evita (sujetador) , se produce una compresión lateral de las moléculas , con lo que estas solo pueden desplazarse radialmente.

De B a C , la formación de pliegues se evita por la tensión de la chapa resultante de la presión del apretachapa.

De A a B , la pieza presenta un adelgazamiento , el que es debido al estiramiento que produce el apretachapa.

En la embutición de doble efecto , todas las alturas son teóricamente realizables.

ENSAYO DE EMBUTIDO OBJETIVO. Estudiar el método de Erichsen para la valoración de la formabilidad de los materiales de chapa. Determinar la profundidad máxima de embutido para chapas del mismo material y de distinto espesor. Analizar la correlación de estos parámetros. CONSIDERACIONES GENERALES. El embutido (estampado profundo de chapas) es un proceso tecnológico de fabricación de piezas en forma de recipiente, es un proceso de estirado que consiste en conformar una pieza de metal a una forma hueca aplicando fuerza con un punzón a la porción central del metal. El punzón estira el metal al interior de una cavidad abierta en el dado o matriz . En esta operación el metal se estira a lo largo de las paredes laterales y se hace tomar un espesor exacto. El estirado de la lámina metálica se realiza generalmente en una prensa vertical. 

Proceso tecnológico de embutido se muestra el estado de esfuerzos biaxial que surge en el proceso El embutido de pieza huecas supone  un perfecto conocimiento de las propiedades del material. El metal es fuertemente solicitado y se le exigen excelentes propiedades de ductilidad, resistencia mecánica, plasticidad, etc. Otras propiedades, inherentes a la pieza bruta (geometría, rugosidad, dureza, temperatura, etc.), también están involucradas y tienen gran efecto en el resultado final y en rechazo de producto terminado. Para determinar la aptitud de un material frente a los procesos de estampado profundo de chapas se ha desarrollado el ensayo de embutido. Este proceso se realiza según los métodos de Erichsen y Olsen, los cuales son equivalentes. Estos métodos, los cuales consisten en la recreación controlada y con piezas estandarizadas de un proceso de embutido, además de calificar la formabilidad (conjunto de las propiedades antes mencionadas), ayudan a determinar si en la superficie aparece rugosidad superficial originada por estructura de grano grueso, la cual es indeseable en las piezas de embutir. El estándar ASTM E643-78 determina el significado de este ensayo para evaluar y comparar la formabilidad de chapas metálicas. El estado de solicitación predominante durante el ensayo es biaxial. Por esto los resultados se usan para comparar materiales que van a ser conformados por medio de estiramiento. Una relación precisa entre la altura de la copa determinada por medio de este ensayo y la formabilidad del material de chapa bajo las condiciones de producción no ha sido establecida. El ensayo se realiza bajo el esquema siguiente. 

       La probeta (a) se sujeta firmemente contra el dado (b) con ayuda de la tuerca de sujeción (c). El punzón (d) ejerce una fuerza que aplicada a través de la esfera de diámetro (13) deforma la probeta. Cuando en la copa formada se presente la primera grieta, el ensayo se detiene. Se mide el índice de embutido (IE) como la altura máxima de embutido lograda (14), en milímetros.

Operación de embutido en el ensayo Erichsen    MAQUINARIA, MATERIALES E INSTRUMENTOS DE MEDIDA. Máquina. Para los ensayos Erichsen se usa la máquina desarrollada en nuestra Facultad, cuyo aspecto general se muestra en la figura.

Máquina para el ensayo Erichsen

 El estándar ASTM presenta las siguientes exigencias hacia la máquina de ensayos por embutido: a)     Aplicar un mínimo de fuerza de 9800 Nb)    La magnitud de la fuerza de sujeción debe ser suficiente para no permitir flujo de metal de la probeta hacia el área de ensayo.c)     Debe poseer un dispositivo para la medición de la copa formada por el punzón.d)    El desplazamiento (altura de la copa) debe poderse medir con una precisión de ± 0.05 mm.e)     El penetrador debe ser suficientemente rígido, no se debe deformar, ni girar ni moverse lateralmente durante el ensayo. Su cabeza debe ser esférica (Æ 20 ±0,05 mm) y sólo esta porción del penetrador debe hacer contacto con la probeta.f)      El penetrador debe moverse en dirección axial perpendicular a la superficie de la probeta.g)     La superficie del penetrador debe estar pulida (Ra 4) y tener una dureza de al menos 62 HRC.  Probetas. De acuerdo al estándar: a)     Deben ensayarse al menos 3 probetasb)    Las probetas pueden ser rectangulares o circulares, su diámetro o anchura mínimo es de 90 mm. Utilícese el pie de rey    para comprobar esta medida.c)     El método se aplica sólo a espesores desde 0,2 a 2,0 mm. Esta dimensión se mide con ayuda del micrómetro.

2. RADIOS DE LA HERRAMIENTA .

2.1. Radio de borde del punzón.

Son aplicables las conclusiones enunciadas en la teoría del doblado.

Si el radio es demasiado pequeño , el punzón puede llegar hasta perforar la chapa ( adelgazamiento de la chapa).

2.2. Radio del borde de la sufridera.

La parte BC al pasar sobre el radio sufre un adelgazamiento . Al penetrar en el orificio de la sufridera , es obligada a enderezase y este enderezamiento y alargamiento (originado por la resistencia al deslizamiento) provocan un nuevo adelgazamiento del material.

Por otro lado , un radio pequeño produciría una disminución del espesor más importante , también la resistencia que ofrecería al deslizamiento de la chapa sería grande , para que el alargamiento producido provocara la rotura.

De lo anterior , se deduce que el radio cumple las siguientes funciones :

a) DE él nacen las fuerzas que agrupan las moléculas para que dicho desplazamiento sea radial.

b) Facilita el deslizamiento de la chapa.c) Facilita el cambio de dirección de la chapa.d) Disminuye resistencia al rozamiento.

Concluyendo :

Un radio pequeño provoca un adelgazamiento mayor y un alargamiento desmedido al deslizar por el la chapa , provocando un riesgo de rotura.

Un radio muy grande puede originar pliegues , porque la presión se aplica a mayor distancia.

Un radio normal permite el deslizamiento normal y un alargamiento débil compensado por la compresión lateral.

Determinación del radio.

Puede obtenerse por la ecuación de KAEZMAREC.

r = 0.8 D = Ø del disco de la ultima etapa. d = Ø de la embutición a realizar.

Emplear ábaco ( hoja 122 J de Koninck , manual técnico matricero ).

e < 1 r = 6 A 8e1 < e < 3 r = 4 A 6e

3 < e < 4 r = 2 A 4e

Observar: Para embuticiones poco profundas, si damos al radio el valor hallado, el apretachapa no tendría un apoyo suficiente. En este caso se disminuye el valor del radio.

3. JUEGO DE EMBUTICIÓN .

Teóricamente, el valor del juego es igual al espesor de la chapa, pero debe tenerse en cuenta las tolerancias de ésta (de fabricación).

Si el juego es demasiado grande puede causar :

1. Deformación del perfil de las paredes.

2. Desviación del punzón.

Se admite como valor de juego :

Para latón, aluminio, plata, cobre.

J = 1,1 a 1,15 e

Para , duraluminio.

J = 1,2 e

Para embuticiones rectangulares.

J = 1,11 e ( partes rectas ).J = 1,2 e ( partes curvas ).

También ábaco hoja 122 , libro Hoening , técnico matricero.

3. EMBUTICIÓN CILÍNDRICA.

4.1. Determinación del tamaño de recorte .

Calcular las medidas de recorte , significa determinar las dimensiones de la chapa plana , que tenga el mismo volumen que el de la pieza embutida.

Lo anterior se cumple cuando se parte de la hipótesis “de que el espesor no varia durante la embutición”.

Luego será suficiente buscar la igualdad entre la superficie de la embutición y la del recorte.

El diámetro del recorte se determinará por :

Matemáticamente : determinando la superficie de la embutición y buscando el Ø de un círculo de la misma superficie.

Aplicando las tablas directamente.

Aplicando el teorema de Gulding , para piezas de revolución con cualquier generatriz.

Teorema de Gulding .

El área de una superficie de revolución ( manto cuerpo de revolución ) ,tiene como valor el producto de la longitud de la generatriz por la longitud de la circunferencia descrita por el centro de gravedad de ésta.

Si :l = Longitud de la generatriz.r = Distancia del centro de gravedad de la generatriz al eje de revolución.

Luego :

( solamente del manto )

Nota : Para obtener superficie total de la pieza embutida , hay que sumar el área de la base.

A = 2 π r l

4.2. Determinación del número de etapas de embutición .

Para producir el embutido , es decir , realizar la transformación de superficie por desplazamiento molecular en el material , de la chapa se constará , si hacemos un ensayo a la tracción:

Un aumento de la resistencia a la rotura.

Un aumento del límite elástico.

Una disminución del porcentaje de alargamiento.

El metal se ha agriado , es más duro y frágil . El fenómeno de acritud es el que limita la embutición.Por este problema , es que se determina el “grado de embutición”.

La relación d1/D se hace igual a “m1” , “coeficiente de embutición” .

Para los dos pasos siguientes se tiene d2/d1 = m2 , Ídem . anterior.

Concluyendo : El Ø dl , obtenido en la pieza embutida , no es una dimensión al azar , sino , depende de la constante m1 , las cuales limitan la reducción del diámetro , y sus valores dependen de las características del material y se dan en la siguiente tabla.

COEFICIENTE DE EMBUTICIÓNMATERIAL I ETAPA

m1II ETAPA

m2q

Ac. embutición 0,60 – 0,65 0,8 0,37Ac .emb. profunda 0,55 – 0,60 0,75 – 0,80 0,36Ac .para carrocería 0,52 – 0,58 0,75 – 0,80 0,35

Ac .inoxidable 0,50 – 0,55 0,80 – 0,85 0,40Chapa estañada 0,58 – 0,65 0,88 0,33

Cobre 0,55 – 0,60 0,85 0,32Latón 0,50 – 0,55 0,75 – 0,80 0,31Zinc 0,65 – 0,70 0,85 – 0,90 0,38

Aluminio 0,53 – 0,60 0,8 0,33Duraluminio 0,55 – 0,60 0,90 0,34

Níquel 0,60 – 0,65 0,80 0,34

También el coeficiente de embutición m1 , se puede lograr mediante la profundidad ERICKSEN.

Profundidad ERICKSEN

Se logra mediante un ensayo de embutido con la maquina Ericksen.

Principio : la muestra a ensayar ( un cuadrado de 90 m/m ) se fija directamente sobre la superficie de la matriz . Un punzón embutidor semiesférico hace penetrar la chapa en la sufridera , se mide la profundidad de la penetración en el punto preciso en que se obtiene la iniciación de la rotura.

Observar :

Se devuelve al material sus cualidades primitivas , mediante un recocido , entre dos pasos.

Para obtener los diámetros en las sucesivas etapas , se aplican las formulas tantas veces como sea necesario , hasta obtener un diámetro igual al del embutido definitivo . Si el ultimo diámetro hallado es inferior al de la pieza , se aumentara proporcionalmente todos los diámetros de las etapas anteriores.

4.3. Alturas obtenidas en los distintos pasos .

La determinación de las sucesivas alturas es importante , porque , permite dimensionar la herramienta.

4.4. Fuerzas en la operación de embutido . Se considera :

Fuerza de embutido . “Fe”

Fuerza del apretachapa . “Fs”

a) Fuerza de embutido . Se determina por la siguiente formula :

Fe = π d * e * n r Donde : d = Ø del punzón. e = espesor chapa.

r = resistencia a la tracción (punto de ruptura).n = coeficiente de embutición que depende de d/D.

d/D n x0,55 1 0,80,575 0,93 0,80,6 0,86 0,77

0,625 0,79 0,770,65 0,72 0,740,675 0,66 0,740,7 0,6 0,7

0,725 0,55 0,7

0,75 0,5 0,670,775 0,45 0,670,8 0,4 0,64

b) Fuerza del apretachapa . Se obtiene por :

Fs =

Donde : D = Ø de la etapa anterior. dm = Ø de la sufridera.

p = presión del apretachapa . ( ver tabla 36 ).Fs = fuerza apretachapa.

Observar :

Estos cálculos permiten escoger la prensa a utilizar.

Si se trata de prensa de doble efecto , se considera solamente la fuerza de embutido.

Si es de simple efecto , habrá que sumar las dos fuerzas , para tener el que ha de vencer la máquina.

El trabajo de embutición se obtiene por .

T = (Fe * x + Fs ) h ( prensa de simple efecto ).

T = Fe * x * h ( prensa de doble efecto ).

Donde : x = coeficiente variable con la reducción. h =altura del embutido.

4. EMBUTICIÓN RECTANGULAR .

5.1. Determinación del tamaño del recorte .

La pieza se compone de superficies planas y cilíndricas , que se calculan separadamente.

El recorte se determina ( teórico ) como sigue :

Se traza un rectángulo A.B.C.D. cuyos vértices corresponden a los centros de los radios “r” de la pieza a obtener.

En cada esquina A.B.C.D. trazar un cuarto de circunferencia de radio R obteniéndose el recorte teórico .

Determinación del radio R por formula :

R = x * p

x = 0,07

p = + 2r ( h + 0,5 rf )

Donde : r = radio redondeado paredes.rf = radio fondo embuticiónh = altura del embutido sin considerar radio del fondo.