Resumen
En el trabajo se presentan las premisas generales concernientes a la determinación y valoración integral de la formabilidad en chapas de acero inoxidable AISI-304, que serán sometidas a operaciones de deformación metálica. Se explican los principios que fundamentan la elaboración de un procedimiento práctico para dar solución al control inicial de la chapa laminada a través de índices mecánicos y tecnológicos. Ello permite el empleo racional y la selección adecuada de los materiales disponibles en función de la operación particular de conformación a desarrollar y el perfeccionamiento de las tecnologías de elaboración de las piezas conformadas.
Palabras claves: Conformación de metales, anisotropía, formabilidad, ensayos mecánicos, materiales.
Abstract
The paper presents the general assumptions concerning the identification and comprehensive evaluation of the formability in AISI-304 sheet metal to be submitted to forming processes. It explains the essentials principles to development a practical procedure for solving the initial control of the sheet metal through mechanical and technological properties. This enables the effective and right selection of materials depending on the particular operation to develop and improving the manufacturing technologies.
Keywords: Sheet metal forming, anisotropy, formability, materials
Introducción
Tomando en consideración la relevancia de la producción de artículos conformados a partir de la chapa metálica, se puede apreciar que el estudio de los materiales y la determinación de sus propiedades mecánicas asociadas a su límite de formabilidad, constituye un problema actual y tema de obligada referencia nacional e internacional.
Los métodos de ensayos para estudiar las deformaciones y propiedades en los materiales avanzan conformes a las exigencias de la ciencia, la técnica y las demandas sociales. Según algunos investigadores [1, 2] es imposible el análisis y comprensión de la capacidad límite de deformación de la chapa metálica sin estudiar la distribución combinada de la deformación y el curso de esta durante todo el proceso de trabajo.
Existen actualmente un grupo numeroso de ensayos, procedimientos y métodos para valorar las propiedades mecánicas y el comportamiento de un material frente a las fuerzas de deformación [3, 4]; sin embargo, una buena parte de la industria mecánica nacional dedicada a la elaboración de piezas conformadas, por muy diversos motivos, no ha sido capaz de asimilar todo el desarrollo y las experiencias sobre la determinación de las características mecánicas y el grado de plasticidad de la chapa metálica. Por otra parte, los factores que afectan el comportamiento del material en la conformación y que guardan relación estrecha con el índice de formabilidad de la chapa aún están siendo valorados en su relación individual [5, 6] para prever el futuro comportamiento del material en la prensa.
La asociación de los procesos de conformación de metales a un conjunto de propiedades sensibles a su estructura interna y el modo de controlar y prever el futuro comportamiento de este en determinadas operaciones particulares desde la etapa de preproducción de las piezas conformadas es el objetivo fundamental del presente trabajo.
Materiales y métodos
Estudios realizados en importantes empresas conformadoras del país [7] demuestran que los principales problemas que afectan la calidad de las producciones, impiden su mejoramiento e inciden en el aumento de la fracción defectiva de las piezas, son entre otros, los siguientes:
1. Imposibilidad de asignar recursos para la compra de materiales idóneos.
2. Desconocimiento de la aptitud de los materiales disponibles para operaciones de conformado.
3. Diferenciación de criterios para el almacenaje y la conservación de los surtidos.
4. Insuficiencias en la normalización, control y seguimiento de los defectos de las piezas.
5. Utilización inadecuada de la documentación técnica
Lo anterior ha provocado una alta cantidad de piezas defectuosas y de rechazos, afectando la calidad general de las producciones y permitiendo además, que la fracción defectiva de las piezas y su valor relativo se hayan elevado en los últimos años hasta un 15… 20%, generando altas pérdidas anuales de material importado.
La fundamentación del método de control inicial de los materiales que se propone está apoyada en la predicción del comportamiento de la formabilidad en los materiales evaluando el factor de endurecimiento (n), el índice de anisotropía (r) y la relación de embutición ((), por ser estos de fácil reproducibilidad al nivel de laboratorio.
El factor de endurecimiento está asociado a la cantidad máxima de deformación que puede soportar un material antes que ocurra su agrietamiento. El factor de anisotropía relaciona las deformaciones en el ancho y el espesor del material, mientras que la relación de embutición se puede vincular a la cantidad de pasos necesarios para embutir satisfactoriamente una pieza determinada.
Para la aplicación del método de control se seleccionó el acero inoxidable AISI 304, uno de los materiales más representativos dentro de los que se utilizan en las empresas para operaciones de conformado debido a su buna resistencia a la corrosión; es un acero usado extensivamente para la fabricación de utensilios domésticos, lavavajillas y bienes de consumo. En la tabla 1 aparece la composición química normada del material seleccionado.
Tabla 1. Composición química en % del material seleccionado
Material | C | Cr | Mn | Ni | Mo | V |
AISI-304 | 0.06 | 17.2 | 0.9 | 8.5 | 0.4 | 0.15 |
El método de trabajo que define las particularidades del procedimiento experimental está basado en la relación empírica de endurecimiento [8] de la forma:
En la figura 1 se muestra el esquema general de trabajo propuesto para la valoración integral de la formabilidad en las chapas metálicas y en al figura 2 aparece el equipamiento utilizado para la realización de los ensayos y una muestra de las probetas antes y después de la deformación.
Figura 1. Esquema general de trabajo para la valoración integral de la formabilidad en las chapas metálicas.
Existe coincidencia de criterios entre todos los investigadores en lo relativo a que los ensayos que se han empleado hasta ahora para estimar el grado de formabilidad de la chapa plana resultan aún insuficientes porque no se pueden deducir de ellos valores precisos con relación al espesor de la chapa y la calidad del metal para una operación particular. Todos esos ensayos además, no son aptos para medir el tipo de chapa más idónea para el estampado profundo o para operaciones combinadas de deformación.
Figura 2. Equipamiento para la realización de los ensayos de tracción (derecha). Probeta antes y después de la deformación (izquierda)
Resultados y discusión
En la tabla 2 se reflejan los resultados de las mediciones de las dimensiones iniciales y finales de las probetas de chapas empleadas y en la tabla 3 los valores promedio para cada una de las propiedades determinadas.
Considerando los resultados obtenidos para las diferentes probetas se graficaron los valores de estos para obtener la curva de comportamiento del material, obteniendo así la curva características para el AISI-304, demostrando cómo influye la orientación a nivel estructural del material en los procesos de conformado de chapas. Las curvas representativas aparecen en la figura 3
Figura 3. Curvas de fluencia características del material ensayado
En las probetas planas se produce el hecho que la tensión media axial continua creciendo hasta la fractura, estado para el cual puede apreciarse una gran cantidad de endurecimiento por deformación esto confirma el fenómeno de inestabilidad. De los resultados obtenidos se puede deducir que el material analizado, AISI-304, presenta un coeficiente de endurecimiento aceptable para las operaciones de conformado de chapas con un valor promedio de 0.34.
Este valor coincide con el alargamiento máximo (e), como el alargamiento uniforme es similar al coeficiente de endurecimiento, se puede deducir que se comportará bien durante la deformación un material con elevado coeficiente de endurecimiento, o lo que es lo mismo, mientras mayor sea el valor de n, mayor deformación aceptará el material antes de la estricción, porque precisamente el endurecimiento evita que la estricción siga teniendo lugar.
Como ha quedado demostrado por otros autores [9] sobre el coeficiente de endurecimiento influyen, fundamentalmente la naturaleza de la carga actuante, la velocidad de aplicación de la carga externa, el sistema cristalino al que pertenece el material, el tamaño del grano y el estado en que se encuentra el material.
Conclusiones
Se propone un procedimiento general de control de los materiales desde la etapa de preproducción de las piezas conformadas que constituye una importante contribución metodológica para el mejoramiento de la calidad de las piezas y el empleo racional de los materiales.
Los valores que se ofrecen como resultado de la aplicación del procedimiento para el coeficiente de endurecimiento (n), anisotropía (R) y relación de embutición (ß), pueden servir de guía complementaria para la selección de los materiales en las empresas.
Las propiedades que se determinan para valorar la formabilidad de la chapa son inherentes a cada material en particular y constituyen propiedades mecánicas exigibles a todos los materiales a conformar que aún en muchas de nuestras empresas no se les presta la atención requerida.
Referencias
1. Osueke, C.O., P. Uzendu, and I.O. Nwabueze, Study of Stress-Strain and Anisotropic Behavior of Sheet Metal for Deep Drawing Processes. International Journal of Advanced Engineering Sciences and Technologies, 2011. 9(2): p. 280-288
2. Banabic, D., et al., Advances in anisotropy and formability. International Journal Material Forming, 2010. 3: p. 165-189. 10.1007/s12289-010-0992-9:
3. Barata da Rocha, A., et al., Analysis of plastic flow localization under strain paths changes and its coupling with finite element simulation in sheet metal forming. Journal of Materials Processing Technology 2009. 209: p. 5097-5109
4. Coello, J., et al., Ensayos de rozamiento plano sobre aceros inoxidables austeníticos con diferente acabado superficial. Determinación de las condiciones de adhesión en el rozamiento. Revista de Metalurgia, 2008. 44 (6): p. 503-512
5. Reddy, P.V.R.R., et al., Parametric Studies on Wrinkling and Fracture Limits in Deep Drawing of Cylindrical Cup International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering 2012. 2(6)
6. Patil, S. and R.G. Tated, Formability Analysis for Trapezoidal Cup Forming Using HyperForm. MTI. A Group of Academic and Research Intitutions, 2011
7. Marty Delgado, J.R. and Y. Bernal-Aguliar. Characterization of Cuban enterprises sheet metal forming. in 29º SENAFOR. 13ª Conferencia Internacional de Chapas. 2009. Porto Alegre. Brasil. p. 161-167.
8. Marciniak, Z., J.L. Duncan, and S.J. Hu, Mechanics of Sheet Metal Forming, ed. Elsevier-Science. 2002, Oxford. p. 211.
9. Monica, I., Experimental Investigations and Numerical Simulation of the Semispherical Punch Process. Annals of the Oradea University. Fascicle of Management and Technological Engineering, 2012. XI(XXI)
Autor:
Ezequiel F. Bacallao-Mesa*,
José R. Marty-Delgado**1,
Jorge Calcines-Prado**2,
Yudieski Bernal-Aguilar**3
* Empresa Industrial Nacional Productora de Utensilios Domésticos. Santa Clara. Villa Clara. 50300. Cuba.
**Departamento de Ingeniería Mecánica. Universidad Central "Marta Abreu" de las Villas. Santa Clara. Villa Clara. 50300. Cuba.