EJERCICIO

Una biela para un auto F-1 se disea para forjado en caliente (600 C) en un dado (matriz) impresor. El rea proyectada de la pieza es de 6600, mm2. El diseo del dado ocasionar la formacin de rebaba durante el proceso, as que el rea incluyendo la crez, ser de 8800, mm2. La geometra de la parte es compleja. El material es una aleacin de titanio (Ti-6Al-4V). Desarrolle las siguientes preguntas:

a) Haga un boceto de la biela seleccionada por usted, con dimensiones a escala, caracterstica de la forma, dimensionamiento del alma, radio de las esquinas y filetes. Presente el esquema del diseo del proceso: plano de separacin (criterio de ubicacin), diseo del canal de rebaba (forma y dimensiones h,b,L); fuerzas y friccin actuantes. Precise el tipo de forjado en caliente (isotrmico o no) y justifique su criterio.

b) Calcule el esfuerzo de fluencia relevante, la fuerza del forjado, la presin del interfaz y muestre la distribucin de la misma en un grfico con su respectivo anlisis e influencia en el proceso.

c) Determine el trabajo de forja, la energa de forjado, la energa necesaria para deformar el material y la energa que debe suministrar un martinete mecnico que se encuentra nuevo y en ptimas condiciones de trabajo, calcule su masa, su eficiencia y estime la carrera necesaria del martinete. Evale y analice el proceso si se realizase en una prensa hidrulica, o si fuese necesario otro tipo de martinete.

d) Determine el material del dado (matriz), sus caractersticas, dureza, resistencia a la tensin y tipos de cargas a la que est sometido. Exponga y precise su criterio de seleccin. Indique el tipo de lubricante a utilizar y la funcin del mismo en este caso especfico.

DISEO DEL BOCETO DE LA BIELA F1

Para asegurar que los radios y biseles en el diseo fluyan completamente en la matriz y evitando que las esquinas (Sharp corners) de la matriz puedan conducir a una prematura falla por factura asociados con la concentracin de esfuerzos. La tabla 2 muestra recomendaciones tpicas para bordes y radios para diferentes materiales, en general es recomendado que el radio sea mayor para materiales ms difciles de forjar.

Material

Corner radius

(mm)

Fillet radius

(mm)

Aluminum alloys

2.3

9.7

Low alloy steel

3.0

6.4

Titanium alloys

4.8

12.7

Nickel-based superalloys

6.4

19.0

Iron-based superalloys

4.8

17.0

molybdenum

4.8

12.7

Como pueden observar en el boceto, usamos los radios mayores posibles

Para determinar el volumen se toma en cuenta ciertas consideraciones como los webs, bosses, radios de filetes, tolerancias etc. primero, los Webs en proceso de forjado son secciones delgadas con una larga rea proyectada en la direccin del cierre de la matriz, las webs estn diseadas a menudo dentro de la pieza para resistencia y otras razones, a menudos acompaados con nervios perifricos. En el diseo de la biela se puede identificar dicha seccin.

WEB

En este caso acompaado con un agujero, cuando piezas como estas que finalizan con agujeros, dichos agujeros se hacen al final durante la remocin de la rebaba con un proceso llamado piercing. Mientras dicho volumen permanece lleno en el forjado pero que carga ciertos requerimientos ms en el diseo, el apropiado espesor del web depende del rea proyectada de los agujeros que van a ser llenados y dicha relacin est dada por:

Donde es el rea del agujero en milmetros cuadrado

Datos de entrada

Temperatura de Forjado

600 C

Area proyectada

6500 mm2

Area total incluyendo la crez

9000 mm2

Material

Ti-6Al-4V

AREA 3

AREA 2

AREA 1

ESC 1:0.7

Dimensiones en mm

Del rea 1

Del rea 2 y 3

DETERMINAR VOLUMEN DE BIELA

A continuacin se muestra en render del esquema tridimensional con la asistencia de AutoCAD de la biela que hemos diseado, como la biela es de frmula 1 y se nos dice que la pieza es de configuracin compleja no podemos considerar que el espesor es constante, las bielas con espesores constantes son las de bicicletas o otros mecanismos , per en general en la industria automotriz una biela comnmente posee un esquema como el que hicimos ( figura ,asi que para el clculo de os volmenes justificamos de la siguiente forma:

Para calcular el volumen de la rebaba, se asumir que la rebaba tendr un espesor de 1,0833 mm calculado anteriormente y que llegara hasta la salida del cordn de la rebaba, por lo tanto el volumen quedar:

Tipo de forjado isotrmico o no

El forjado se debe llevar a cabo isotrmicamente. Debido a muchos factores que dan mucha factibilidad y viabilidad a la manufactura de piezas.

Cuando la temperatura de los troqueles es la misma que la de la pieza a trabajar, esta condicin permite utilizar tiempos muy lentos para deformar conllevando a obtener piezas muy limpias y uniformes, disminuyendo la utilizacin de un mecanizado posterior, quedando en muchos casos lista para su eso y colocacin directamente.

Los aspectos ms relevantes para la utilizacin de forjado isotrmico son:

Reduccin significativa del costo del material ya que a temperaturas elevadas se reduce el volumen de trabajo.

Reduccin del mecanizado posterior producto de llenado ptimo de la matriz del troquel.

Se obtienen propiedades mecnicas uniformes debido a los bajos y en algunas ocasiones, inexistentes ndices en los gradientes trmicos. La utilizacin de forjado isotrmico provee una solucin efectiva a los defectos causados por los gradientes trmicos que se ocasionan desde la superficie hasta el centro de la pieza, variando la microestructura del material. Es por ello que para este tipo de forjado, las variaciones micro estructurales son mnimas.

Lograr la misma temperatura de la pieza en los troqueles es un trabajo de ingeniera bastante interesante. Dos mtodos se utilizan comnmente. Uno de ellos consiste en un sistema de induccin y otro mtodo utiliza un sistema de calefaccin por gas o infrarrojos.

La lubricacin tambin desempea un papel fundamental ya que evita desgastes causados por la friccin. Para temperaturas cercanas a 650, se suele utilizar grafito. Pero para temperaturas ms elevadas, se utilizan fritas de vidrio con aditivos apropiados tales como el nitruro de boro.

DISEO DEL CANAL DE REBABA

La rebaba se conoce como el exceso de material que se produce en troqueles de matriz abierta. Su funcionalidad radica en dos grandes aspectos:

Permite el flujo de material sobrante necesario para que la pieza pueda llenar el molde en su totalidad.

La acumulacin de material sobrante depositado en la cavidad. Durante este proceso que se crea una diferencia de presin que provoca un buen llenado de las cavidades de los troqueles. Como segunda medida hay que tener en cuenta las partes que conforman un canal de rebaba.

Cordn de rebaba: Zona contigua al borde de la pieza. Tiene un espesor h y una anchura b. Atreves de esta porcin delgada del canal fluye el material en forma de rebaba.

Alojamiento o canal de rebaba: El exceso se deposita en la zona perifrica al cordn de rebaba, la cual es ms amplia y de anchura L y espesor e, zona denominada alojamiento de rebaba o canal de rebaba.

El diseo del canal de rebaba termina siendo un problema de mecnica de fluidos, debido a las interacciones de las presiones resultantes en el troquel y en el canal de rebaba. El clculo a partir de estas consideraciones se vuelve muy tedioso debido a que hay que tener en cuenta la curva de umbral de plasticidad de los materiales, adems de tener en cuenta la localizacin de la rebaba, que en este caso es central.

Existe un criterio que analiza el grado de complejidad de la geometra de la pieza. Se estiman unos valores para la anchura (b) del cordn de la rebaba y de su respectivo espesor (h), y se muestran en la siguiente tabla diseada para troquel acabador de martillo propuesta en el libro Conformacin plstica de materiales metlicos (en fro y en caliente) de Jess del Ro:

Se define igualmente su caracterstica "arquitectnica" de simplicidad-complejidad, haciendo tambin una escala con otros cinco niveles:

1) Piezas muy simples: son piezas sin protuberancias que exijan filages, y con pocas variaciones de espesor.

2) Piezas simples: son piezas igualmente sin filages, pero con variaciones de espesor considerables.

3) Piezas semicomplejas: son piezas que exigen filage en los troqueles para configurar protuberancias tales como tetones o nervios, pero que estas protuberancias resultan ser poco esbeltas, de modo que su fondo (h) dividido por su anchura (e) est comprendido entre 1 < h/e < 2,5.

4) Piezas complejas: son piezas como las anteriores pero sus protuberancias son ms esbeltas, tales que 2,5 < h/e < 4,5.

5) Piezas muy complejas: son piezas como las de los dos dos apartados anteriores, pero an ms esbeltas, tales que 4,5 < h/e < 6.

Mxima anchura , dimetro o deformacin

Valores de (mm)

Valores de , segn la arquitectura de la pieza

40

6

Piezas simples = /4

60

7

80

8

Piezas semi-simples = /4.5

100

9

125

9.5

Piezas semi-complejas = /5

150

10

175

11

200

12

Piezas complejas = /6

240

13

280

14

320

15

Piezas muy complejas = /7

360

17

400

18

Para nuestro diseo la mxima anchura es 50 mm, asi que para halar el valor de podemos simplemente hacemos una sencilla interpolacin lineal

X0= 40

F(X0)=6

X1=50

F(X1)=?

X2= 60

F(X2)=7

Y para el valor de respectivamente conociendo que la pieza es de arquitectura compleja : =6.5/6 = 1.0833 mm

Se dimensiona a continuacin el alojamiento de rebaba de manera que sea de suficiente volumen como para contener todo el material sobrante que se va a alojar en l. En la tabla que figura a continuacin En el libro Conformacin plstica de materiales metlicos (en fro y en caliente) de Jess del Ro se dan unos valores orientativos, aunque el autor no sugiere que igual se pueden elegirse otros.

(mm)

H y R (mm)

B (mm)

4 a 6

3

20

7

3

22

8

3

24

9

3.5

26

10

4

28

12

5

32

14

6

36

16

8

42

Fig. 5

Del procedimiento anterior nos dio un valor de 6.5 mm como no apece en la tabla anterior tomamos los valores intermedio y asi se determina que los valores orientativos para el diseo del canal de la rebaba.

de esta forma el canal tendr las siguientes dimensiones finales: