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UNSL-FACULTAD DE INGENIERÍA Y CIENCIAS AGROPECUARIAS

Tecnología mecánica Trabajo final Embutido Polverini, Matias Augusto 2019

Contenido Embutido ....................................................................................................................................... 1 Descripción de una estampa para embutir ............................................................................... 1 Material y lubricación para el embutido. .................................................................................. 3 Desarrollo de un elemento embutido. ...................................................................................... 4 Presión necesaria para el embutido.......................................................................................... 5 Presión ejercida por el sujetador. ............................................................................................. 6 Relaciones de embutido para objetos cilíndricos ..................................................................... 6 Defectos típicos en el embutido ............................................................................................... 8 Embutido de piezas cónicas, parabólicas y semiesféricas. ....................................................... 9 Estiramiento de piezas embutidas ............................................................................................ 9 Fuerza necesaria para el estiramiento. ................................................................................... 10 Embutido al torno. .................................................................................................................. 10 Embutido hydroform............................................................................................................... 11 BIBLIOGRAFÍA. ......................................................................................................................... 13

Embutido La embutición es un proceso tecnológico que consiste en la obtención de piezas huecas con forma de recipiente a partir de chapas metálicas. Este proceso permite obtener piezas de formas muy diversas y es una técnica de gran aplicación en todos los campos de la industria. En la embutición de una pieza se parte de una porción de chapa que descansa sobre la matriz, mientras el pisador la mantiene sobre esta y el punzón ejerce la presión necesaria para conformar la pieza provocando la fluencia del material a través de la cavidad abierta en la matriz. La pieza va a conformarse en función de la forma de la abertura de la matriz y la forma del punzón, mientras que el pisador va a evitar el pandeo del material al tratarse de formas generalmente no desarrollables.

Descripción de una estampa para embutir Antes de proceder a otros factores relacionados a la embutición, es necesario tener una noción básica de lo que es una estampa para embutir. Suponemos que el disco a embutir se ha introducido bajo la pieza de retención G y que de ahí debe escurrirse suavemente. El punzón A está rígidamente fijado al porta punzón B mediante tornillos. El conjunto A-B se fija en la parte móvil de la prensa; el macho A durante se descenso, penetra en la matriz C y moldea el objeto. El casquillo D que al iniciarse el proceso se encontraba en el borde del plano superior, es bajado por la presión del macho A acompañando a la chapa al mismo tiempo que comprime el muelle E. La misión del casquillo D es impedir el arrollamiento de la chapa. El disco de retención G garantiza un proceso sin arrugas. Al terminar la operación el macho A retrocede y abandona libremente al casquillo D, que bajo la acción del resorte, o un taco de goma elástica, asciende y expulsa el objeto embutido. La matriz va fijada en la base F, que a su vez se fija en la mesa de la prensa. Es interesante conocer cómo se comportan las fibras del material de un disco de chapa que ha de ser sometido al proceso de embutición.

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Suponemos que del disco A de diámetro D se ha podido sacar el cilindro B de diámetro d y altura h. Admitimos que la transformación se ha hecho a espesor constante. El disco del fondo del cilindro B no ha sufrido ninguna deformación; la pared cilíndrica, por el contrario, ha sido deformada porque inicialmente componía la corona circular de ancho h0. Observamos que el elemento s0 (indicado en trazos sobre la corona del disco A) experimenta una variación durante el embutido, cambiando su forma trapezoidal por la rectangular (indicada en trazos en el cilindro B); al mismo tiempo el elemento s0 se dobla 90°. Para este cambio de forma se verifica que la altura h del cilindro es mayor que la altura h0 del elemento trapezoidal plano. Por consiguiente, cada elemento durante el embutido, está solicitado por fuerzas radiales de tracción y por fuerzas tangenciales de compresión. El procedimiento base de embutición consiste en obligar a un disco metálico a pasar, mediante la presión ejercida por un punzón, a través de un agujero cilíndrico. La parte del material obligada a pasar entre el punzón y la matriz sufre una compresión que impide la formación de pliegues. La compresión tiene lugar en todo el borde del recipiente, mientras el fondo debe resistir el empuje del punzón. No siempre se ha de embutir con un procedimiento sencillo como el explicado, dependiendo de las dimensiones del objeto a embutir, del material, de la profundidad de embutición, y otros factores que dificultan el embutido, se debe realizar el proceso con extremada destreza o utilizando diferentes técnicas que garanticen un producto final de acuerdo a las especificaciones deseadas. Es evidente que el material de la chapa sufre un "estiramiento"; éste será tanto mayor cuanto mayor sea la presión ejercida por los órganos de sujeción del borde de la chapa. Por "sujetar" no se debe entender aquí una sujeción propiamente dicha, sino una simple adherencia del borde de la chapa sobre la superficie de apoyo de modo que permita el desplazamiento en sentido radial sin producir deformaciones (pliegues). Por este motivo el material de la chapa está expuesto a sufrir distintos grados de estiramiento. Muchas veces deberá realizarse un recocido previo al material para evitar roturas o agrietamientos en las paredes del objeto. Si los planos de sujeción no han sido construidos con precisión, o bien la chapa no ha quedado sujetada por igual a lo largo de todo el borde, se produce un desplazamiento irregular hacia el centro de moldeo, 2

produciendo cierto número de pliegues. Es por ello que es sumamente importante ejercer la presión de sujeción adecuada, sin exceder el límite de rotura del material debido al descenso del punzón. Para ciertos espesores de chapa y en relación a pequeñas profundidades de embutido, no es necesario sujetar el borde; la mayor resistencia opuesta por la chapa en el curvado está en relación con la sección transversal de la misma. Para embutir piezas de gran espesor también se puede prescindir de la sujeción de los bordes.

Al terminar el embutido las fibras de material han cambiado su posición, aunque el espesor de la chapa haya permanecido constante. Esta variación en la posición de las fibras es mayor al moldear objetos cúbicos o paralelepípedos. La figura de arriba a la derecha ilustra las deformaciones que sufre el material tras un proceso de embutido.

Material y lubricación para el embutido. Es necesario exponer que en la mayoría de los casos el buen resultado del embutido depende de la calidad del material y de su tratamiento. La chapa de cualquier material para responder al proceso de embutición, debe ser dulce y recocida. Un material poco dúctil no se presta para el embutido, y de utilizarse daría pésimos resultados, y en el mejor de los casos, se obtendrían piezas agrietadas y sin resistencia. Para transformar una chapa plana en una pieza hueca mediante el embutido, se ha de proceder con una fuerza axial que castiga en cierta medida las fibras del material. El punzón y la matriz tienen que vencer el efecto producido por las fuerzas laterales que originan un importante frotamiento entre las paredes. El material de la chapa que tiende a escapar y ubicarse desordenadamente, es obligado a extenderse uniformemente en el espacio definido entre el punzón y la matriz. Para hacer más fácil esta labor y reducir las posibilidades de romper las fibras del material se hace necesario que durante el embutido se lubriquen abundantemente con sustancias fluidas todas las superficies de frotamiento de la estampa con la chapa.

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De este modo se prolonga también la vida útil de la misma estampa. Según los materiales con que se trabaje, resulta apropiado utilizar un determinado tipo de lubricante y se recomienda referirse a la tabla anterior. Como complemento, puede escogerse el lubricante más adecuado, experimentando los diferentes tipos en las mismas estampas y materiales. El lubricante que produzca el mínimo aumento de superficie, o sea, el mínimo estiramiento será el más indicado.

Desarrollo de un elemento embutido. Uno de los problemas más importantes que se presentan en el embutido es el relacionado con la determinación de las dimensiones de la chapa de la que ha de salir el objeto deseado con el empleo del menor material posible. Con este fin se han hallado ciertos métodos que han conducido a una determinación basada en la equivalencia de superficies antes y después del embutido. Éste cálculo es fácilmente aplicable para objetos huecos que tienen formas geométricas regular de líneas rectas o sección circular. Para cuerpos de diferentes formas o bien, cuerpos irregulares no siempre se puede seguir un cálculo aproximado y es menester recurrir a pruebas de embutido, una vez realizado el objeto se observa el contorno y se determina dónde el material está en exceso y dónde hace falta. Es erróneo suponer que la superficie del desarrollo sea perfectamente igual a la del objeto embutido debido que durante el proceso el material sufre estiramiento. Como fuere, cada vez que sea posible, es necesario realizar los cálculos para aproximarse más al desarrollo práctico. Dichos cálculos se basan en la equivalencia de las superficies. Procedemos ahora a la búsqueda del diámetro del desarrollo para un recipiente cilíndrico como el que se muestra en la siguiente figura.

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Llamemos: 𝐷 = diámetro del disco desarrollado Superficie del disco desarrollado: 𝑆=

𝜋𝐷 2 4

Superficie exterior del cilindro: 𝑆=

𝜋𝑑 2 4

+ 𝜋𝑑ℎ

Igualando las dos superficies tendremos: 𝜋𝐷 2 𝜋𝑑2 = + 𝜋𝑑ℎ 4 4 𝜋𝐷 2 = 𝜋𝑑2 + 4 𝜋𝑑ℎ 𝐷 2 = 𝑑2 + 4 𝑑ℎ 𝐷 = √𝑑2 + 4 𝑑ℎ

Presión necesaria para el embutido Este problema, en el ámbito de las determinaciones prácticas, se ha demostrado siempre como el más difícil y el menos convincente. En este informe no se pretende desarrollar la teoría para obtener el valor de la presión de deformación teórica, sólo bastará decir que es igual a: 𝑃𝑑 = 2. 𝜋. 𝑟. 𝑠. 𝑅𝑑𝑚 . 𝑙𝑛

𝑅 𝑟

Donde 𝑅𝑑𝑚 es la resistencia media a la deformación, 𝑅 es el radio del disco en el momento en que queremos computar esta fuerza (es decir, en un momento determinado del recorrido del punzón), y 𝑟 es el radio ideal del punzón (radio del punzón + espesor de la chapa/2) Para detalles en el desarrollo de la fórmula anterior, "Mario Rossi, Estampado en frío de la chapa, Ed. DOSSAT, pág.85". Del examen de la formula anterior resulta que la fuerza de deformación, omitiendo las pérdidas por frotamiento, las fuerzas de doblado y las debidas a otras causas, es continuamente variable para toda la carrera del punzón según una ley logarítmica. Dicha fuerza, que es máxima en relación a la posición inicial de la carrera del punzón, disminuye gradualmente durante el embutido hasta llegar a un valor mínimo el cual, en el caso de un embutido completo (recipiente sin corona), llega a cero. Por el contrario los rozamientos que en un principio eran nulos, alcanzan su valor máximo al final de la operación, debido a la presión elástica del recipiente contra la matriz. 5

El cálculo de la fuerza de deformación es muy útil porque permite prever un posible desgarro en la chapa; en efecto, si dividimos la fuerza máxima para embutir por la sección resistente (área de la corona del recipiente), obtendremos la tensión máxima del embutido. Si esta tensión alcanza valores excesivos respecto a los límites de resistencia a la rotura del material, no podrá admitirse. La tensión teórica del embutido calculada con la formula anterior se debe dividir por un rendimiento que depende de los frotamientos de la chapa contra la matriz. De ahí la necesidad de construir matrices con superficies perfectamente pulidas, admitir una determinada tolerancia entre matriz, chapa y punzón y lubricar adecuadamente.

Presión ejercida por el sujetador. Es preciso atribuir una gran importancia a la presión ejercida por el órgano sujetador durante el proceso de embutido. Una presión insuficiente provoca una disposición desordenada de la chapa durante su introducción en la matriz, produciendo pliegues y arrugas; en cambio, una presión excesiva provoca el alargamiento y rotura del material. Para que sea correcta la presión ejercida, el sujetador debe permitir fácilmente el escurrimiento del material por todo el contorno prensado. La presión exacta se determina prácticamente a partir de la mínima, aumentándola gradualmente hasta obtener una pieza de paredes lisas. Para garantizar la presión constante del sujetador durante el proceso de embutido se recomienda proveer al mismo de dispositivos elásticos. La presión total P en kg. del sujetador para cuerpos cilíndricos se calcula por:

𝑃=

𝜋 2 (𝐷 − 𝑑2 ). 𝑝 4

Donde: D= diámetro del disco de chapa, en cm. d= diámetro del agujero de la matriz, en cm. p= presión especifica en kg./cm2. La presión específica queda comprendida para chapa de hierro entre 10 y 20 kg./cm2. Y entre 8 y 10 kg./cm2 para aluminio.

Relaciones de embutido para objetos cilíndricos No es tarea fácil establecer con exactitud el límite de la profundidad que se puede alcanzar con una sola operación de embutido. Se puede llegar a conseguir de un modo aproximado y en una sola operación, una profundidad de embutido igual a la mitad del diámetro para piezas pequeñas y de un tercio del diámetro para piezas grandes (en chapa de acero dulce). Si han de obtenerse profundidades mayores, serán necesarias tantas operaciones por cuantas veces la 6

profundidad sea mayor que el límite máximo arriba señalado. La imagen siguiente puede aclarar lo expuesto.

Cuanto más pequeño es el diámetro del punzón respecto al disco a embutir, tanto mayor será la presión necesaria para el embutido, es decir debido a la relación R/r presente en la fórmula de la presión de embutido. Para que esta presión no provoque el desgarro de la chapa, no debe superar los límites del material. La tabla siguiente nos ofrece, para una rápida consulta, el modo de determinar si un disco de chapa de diámetro D puede embutirse en una sola o varias pasadas, con un punzón d y una profundidad h.

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Defectos típicos en el embutido

El embutido es una operación compleja, más que el corte o el doblado de lámina, por tanto hay más cosas que pueden fallar, pueden presentarse numerosos defectos en un producto embutido, algunos de ellos son: * Arrugado de pestaña. El arrugamiento consiste en una serie de pliegues que se forman radialmente en la parte no embutida de la pieza, debido a la compresión que tiene lugar en dicha zona. Esto puede deberse a una deficiente presión del órgano sujetador. * Arrugado en la pared. Si la zona arrugada se embute en el cilindro, estos pliegues aparecen en las paredes del recipiente. * Desgarro. Este defecto consiste en una grieta que se abre en la pared vertical, usualmente cerca de la base de la copa embutida, debido a altos esfuerzos de tensión que causan adelgazamiento y rotura del metal en esa región. Este tipo de falla también puede ocurrir cuando el metal se estira sobre una esquina afilada del punzón. * Orejeado. Ésta es la formación de irregularidades (llamadas orejas), en el borde superior de la pieza embutida. Se debe a la anisotropía del material embutido, si el mismo fuese perfectamente isotrópico no se forman las orejas. Rayado superficial. Pueden ocurrir ralladuras en las paredes de la pieza embutida si el punzón y la matriz no son lisos o si la lubricación es insuficiente.

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Embutido de piezas cónicas, parabólicas y semiesféricas. El número de pasadas, las dimensiones y las formas intermedias que debe sufrir un objeto antes de conseguir su forma definitiva, varía según la forma del objeto. Sólo con una larga experiencia se puede definir la metamorfosis que debe experimentar un objeto antes de alcanzar su forma definitiva. La tabla anterior puede servir como base para la determinación de los diámetros de cada pasada. La siguiente figura muestra tres ejemplos de embutidos para obtener objetos de forma cónica, parabólica y semiesférica.

Estiramiento de piezas embutidas La operación de estirar, consiste en disminuir, mediante sucesivas pasadas, el espesor de la pared cilíndrica de un recipiente previamente embutido, a fin de conseguir las dimensiones deseadas. En esta operación que se realiza en frío, se obliga al material a pasar a través de una corona circular para salir deformado permanentemente después de haber adquirido una sección circular más pequeña y una longitud mayor. Se obtiene por la acción de la fuerza axial del punzón. El porcentaje de reducción de espesor para cada pasada depende de la calidad y de la ductilidad del material con el que se está trabajando. Para obtener una buena concentricidad de la corona, se aconseja centrar muy bien el punzón respecto de la matriz. Lo mismo que en el embutido, en el estiramiento es fundamental una buena lubricación y que tanto el punzón como la matriz, se encuentren en buen estado.

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Fuerza necesaria para el estiramiento. La fuerza necesaria para estirar un recipiente está en función de la reducción del espesor de la pared cilíndrica; se puede determinar, aproximadamente con:

𝑃=

𝜋 2 (𝑑 − 𝑑12 )𝜎𝑟 . 𝑛 4

donde: 𝑃= fuerza necesaria para el estiramiento, en kg. 𝑑= diámetro exterior del recipiente antes de estirarlo, en mm. 𝑑1 = diámetro exterior del recipiente después de estirarlo, en mm. 𝜎𝑟 = resistencia a la tracción, en kg/mm2 del material 𝑛= coeficiente de aumento, que varía de 1,8 a 2,3 para la chapa de acero dulce y de 1,6 a 1,8 para la chapa de latón dulce.

Embutido al torno. El torno, preparado convenientemente, puede ser empleado para embutir chapa. El principio mecánico de esta operación consiste en hacer girar un sólido de revolución (estampa de madera o fundición) fijado en el cabezal del torno y, mediante la presión ejercida con una herramienta especial, adherirle poco a poco un trozo de chapa que ha sido centrada previamente. Con este proceso, y en todos los de embutido, no se trata de simplemente doblar la chapa, sino de deformar prácticamente el material y hacerlo "fluir" bajo la acción de una presión estática, manteniendo en la mayoría de los casos el espesor prácticamente constante. El proceso de embutido al torno se realiza según la imagen de la izquierda. El disco de metal es obligado a adherirse contra la forma A mediante la presión ejercida por la punta B sobre el platillo C. Debido a la longitud de esta chapa respecto al diámetro, se necesitará sujetarla con dos útiles al iniciar el proceso. A continuación se opera con la herramienta D apoyándola contra el 10

pivote E del carro F, y empujando luego la chapa contra la superficie de la estampa, se hace correr la herramienta a lo largo de esta superficie hasta obtener el recipiente completo.

Embutido hydroform. Está basado sobre el principio de dar, a una chapa plana, una determinada forma, mediante la acción hidrodinámica variable del aceite contenido en la cámara de una matriz elástica. En la imagen de la izquierda se puede observar la estampa de embutir. La chapa a embutir (D), ha sido colocada previamente dentro de la estampa. Los órganos fundamentales para entender el procedimiento son la membrana elástica A, hecha de goma blanda, muy robusta y resistente al aceite. El punzón o macho B y el aceite C el cual es bombeado variando su presión durante el proceso mediante válvulas controladas automáticamente. Al actuar la presión de aceite en la cámara del cuerpo, la membrana elástica comienza a deformarse obligando al disco de chapa a adaptarse a la forma del punzón y a tomar su misma forma. Luego el punzón penetra empujado por el émbolo del cilindro situado debajo de la bancada de la prensa y simultáneamente se aumenta la presión de aceite para obtener la forma final del recipiente.

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Luego se reduce la presión de aceite y se separa la estampa superior, baja el punzón y solo queda retirar la pieza acabada. Conviene destacar que el punzón, además de vencer la presión del embutido normal de conformado de la chapa, también debe vencer la presión ejercida por el aceite sobre la membrana elástica. Este procedimiento de embutición aporta notables simplificaciones en la construcción de las estampas por los siguientes motivos: a) Por ser elástica la matriz, ésta no requiere perfiles especiales o formas b) no hacen falta columnas de guía, porque las dos medias estampas no requieren una referencia de precisión. c) El punzón puede construirse de cualquier material, porque no está sujeto a desgaste d) no se necesitan muelles, extractores, prensa-chapas especiales, topes, etc.

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BIBLIOGRAFÍA. * Mario Rossi,(1979), embutido en frío de la chapa, Madrid, España, Editorial DOSSAT * Mikell P. Groover, (2007), fundamentos de manufactura moderna, México, Mcgraw Hill.

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