Estudio sobre la influencia del rozamiento en operaciones de forja localizada-incremental mediante simulación por elementos finitos

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1 Asociación Española de Ingeniería Mecánica XVIII CONGRESO NACIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA Estudio sobre la influencia del rozamiento en operaciones de forja localizada-incremental mediante simulación por elementos finitos A.M. Camacho, M.M. Marín, M.A. Sebastián Dpto. Ingeniería de Construcción y Fabricación. Universidad Nacional de Educación a Distancia amcamacho@ind.uned.es Resumen El rozamiento es uno de los fenómenos de mayor repercusión en las fuerzas requeridas y en muchos casos origen de problemas de diversa índole en procesos de forja convencional. Por ello es de indudable interés estudiar la influencia de este parámetro en operaciones LIF, dado que una de las características de la tecnología localizada-incremental es que se facilita la lubricación en la superficie de trabajo, siendo esta una de las ventajas competitivas de estos procesos. En el presente trabajo se analiza la influencia del rozamiento tanto en las fuerzas y presiones de contacto como en el estado tensional y deformacional de una pieza de aluminio 2024-T3 sometida a este tipo de operaciones, teniendo en cuenta también el efecto de aspectos geométricos relacionados con la pieza y la herramienta empleadas. INTRODUCCIÓN La innovación en el campo del conformado plástico de metales pasa por la investigación y desarrollo de nuevas tecnologías y materiales adecuados para su empleo en este campo. En la mayoría de los casos, los nuevos desarrollos parten de principios básicos y fundamentos propios de los procesos convencionales tradicionalmente estudiados e implantados a escala industrial, pero mejorando aspectos concretos dependiendo del tipo de aplicación. El empleo de tecnologías incrementales se encuentra cada día más extendido en el conformado por deformación plástica de chapa [1-3]. Los procesos de forja localizada-incremental (Localized-Incremental Forging - LIF) son un ejemplo de esta tendencia en conformado por deformación plástica de piezas volumétricas, en el que se pretenden aprovechar las principales ventajas de la tecnología incremental [4,5]. Dos ejemplos claros de estas ventajas son conseguir una mayor flexibilidad que en operaciones de forja convencional o un mayor control de los parámetros del proceso [6]. Estudios recientes han analizado la repercusión de un mayor control de la trayectoria de la herramienta sobre las fuerzas requeridas y las propiedades mecánicas de los componentes fabricados [7,8]. De cara a ahondar en el conocimiento de los procesos LIF para una correcta caracterización de los mismos resulta imprescindible, como primera aproximación al problema, recurrir a técnicas de simulación numérica como el método de los elementos finitos empleado en el presente trabajo. Un ejemplo es el trabajo de Hirt et al. [9] en el que se ha desarrollado un método multimalla para mejorar la capacidad de análisis de estas técnicas en procesos incrementales de piezas volumétricas. Por su parte, Dejardin et al. [10] subrayan la necesidad de emplear técnicas de simulación numérica así como la importancia de desarrollar modelos 3D suficientemente robustos. Un primer paso para mejorar el conocimiento de las operaciones incrementales en piezas volumétricas es la caracterización del estado de tensiones y deformaciones generadas en las piezas. Parámetros como la geometría del extremo de la herramienta y la profundidad de pasada deben ser estudiados en detalle, habiéndose publicado algún trabajo previo sobre este tema [6]. El presente trabajo supone una continuación de estudios anteriores en esta línea, analizándose la influencia del rozamiento en una operación localizada consistente en deformar plásticamente una pieza mediante un punzón hemisférico bajo diferentes condiciones de lubricación. El estudio se ha realizado mediante un modelo 3D de elementos finitos, siendo Abaqus [11] el programa empleado.

2 A.M. Camacho et al. / XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica (2010) 2 CASOS DE ESTUDIO Se va a analizar una operación de conformado localizado mediante un punzón de geometría hemisférica sobre una pieza de secciones transversales rectangulares como la presentada en la Fig. (1). La operación consiste en aplicar una fuerza de compresión en el centro de la misma de manera que se obtengan deformaciones permanentes en la pieza. Las dimensiones de la pieza (260x140x10 mm) se eligieron de manera que se minimizaran los efectos de borde en cualquiera de las direcciones perpendiculares al eje donde se aplica la carga (eje y). El diámetro del punzón es de 10 mm. Fig. 1. Geometrías de pieza y punzón. El material de la pieza es la aleación de aluminio 2024-T3, típicamente empleada en la industria aeroespacial. Su comportamiento en la región plástica de la curva se muestra en la Fig. (2). 1,0 0,8 (GPa) 0,6 0,4 0,2 0,0 0 0,5 1 1,5 2 pl Fig. 2. Comportamiento plástico del material. Se ha aplicado una profundidad de pasada del 15% del espesor de la pieza y se van a asumir tres condiciones de lubricación distintas correspondientes a un primer caso de proceso perfectamente lubricado (sin rozamiento); una segunda situación donde se considera un coeficiente de rozamiento típico de procesos de conformado en frio ( = 0,1); y un tercer caso de adherencia total entre la superficie de contacto herramienta-pieza (contacto rugoso). El modelo de rozamiento incorporado en el programa de elementos finitos es el de Coulomb. Como es sabido, dicho modelo de rozamiento asume que no hay movimiento relativo entre las partes en contacto si la tensión de rozamiento equivalente de la Ec. (1) es menor que un valor crítico, c. Este valor es proporcional a la presión de contacto P, según se indica en la Ec. (2), en la que es el coeficiente de rozamiento de Coulomb. eq (1) P c (2) Las variables que van a ser objeto de análisis son las fuerzas requeridas en cada caso, las presiones de contacto en la intercara pieza-herramienta y las tensiones y deformaciones residuales que experimenta la pieza bajo las diferentes condiciones de rozamiento plateadas.

3 Estudio sobre la influencia del rozamiento en operaciones de forja localizada-incremental mediante 3 MODELO DE ELEMENTOS FINITOS Se ha empleado el código de propósito general Abaqus [11] para la simulación de los diferentes casos planteados. Su módulo de análisis Abaqus/Standard resuelve los sistemas de ecuaciones generados mediante metodología implícita según el método de Newton-Raphson. En aras de simplificar la simulación, el punzón se ha modelado como parte rígida discreta. Esto implica que el comportamiento del punzón está gobernado por un nodo de referencia, denotado como RP. En este nodo se aplican tanto las cargas como las condiciones de contorno y se registran las fuerzas de reacción. El tipo de elemento asignado al punzón es el R3D4 (esta nomenclatura indica que se trata de elementos rígidos, tridimensionales y 4 nodos). Aunque estos elementos no proporcionan información sobre el comportamiento de la herramienta, son necesarios para definir adecuadamente el contacto entre superficies. Por el contrario, la pieza se ha modelado como cuerpo deformable. En este caso, el tipo de elemento es C3D8R, es decir, elementos continuos, tridimensionales, de primer orden e integración reducida. Un ejemplo del mallado de las dos partes (pieza y punzón) se presenta en la Fig. (3). Como puede apreciarse, se ha considerado únicamente un cuarto del problema dada la doble simetría que presenta la operación Así mismo, se ha considerado oportuno refinar el mallado en la zona de deformación para obtener resultados más exactos, mejorando el costo computacional. Fig. 3. Modelo de elementos finitos. Tal y como se ha indicado, las variables de salida solicitadas son fuerzas, presiones de contacto y tensiones y deformaciones residuales. Las expresiones para las deformaciones equivalentes (PEEQ) se calculan según las expresiones dadas en las Ec. (3) y (4). ε pl ε pl 0 t pl ε dt (3) 0 ε 2 3 pl pl pl ε :ε (4) Para la obtención de los perfiles de presión de contacto se ha seleccionado el camino path x representado en la Fig. (4). Sin embargo, para las tensiones y deformaciones residuales se ha considerado además el camino path y para registrar el comportamiento tanto en la superficie como en la sección transversal central. Fig. 4. Caminos para variables de salida.

4 A.M. Camacho et al. / XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica (2010) 4 RESULTADOS Fuerzas Se ha obtenido la evolución de la fuerza aplicada por el punzón durante su carrera de avance hasta la profundidad de trabajo y su posterior retroceso para registrar posteriormente las tensiones y deformaciones residuales. El resultado de las fuerzas requeridas considerando las tres condiciones de rozamiento de partida se muestra en la Fig. (5). Para un mayor detalle de la evolución de las tres curvas se adjunta la Fig. (6). Fig. 5. Fuerzas requeridas en función del rozamiento. Fig. 6. Detalle de las fuerzas obtenidas. Como se puede comprobar, no existe una influencia significativa en las fuerzas debida al aumento de rozamiento en la superficie de contacto pieza-herramienta, lo que contrasta con otros estudios similares [6] en los que se ha analizado la influencia de factores geométricos y se ha observado una gran influencia en las fuerzas requeridas. No obstante, a medida que aumenta el rozamiento, las fuerzas necesarias van en ligero aumento. Por otro lado, en la Fig. (5) es posible observar el efecto de la recuperación elástica. Presiones de contacto Las presiones de contacto se han obtenido a lo largo del camino path x para las tres condiciones de rozamiento. La variable de Abaqus empleada es CPRESS. Los resultados obtenidos aparecen en la Fig. (7). Fig. 7. Presiones de contacto en función del rozamiento. Como se aprecia en dicha figura, en general los perfiles de presión de contacto al final de la carrera de avance presentan una evolución suave, alcanzando los valores máximos en el centro de la zona de deformación. En este caso la influencia del rozamiento es menos significativa aún que en el caso de las fuerzas, obteniéndose valores muy similares en los tres casos. Para la situación de contacto de adherencia (rough) se observa un pico en el extremo alejado del centro de la pieza; no obstante dicho pico de presión no es real, sino consecuencia del tamaño de malla empleado que provoca que uno de los elementos de la pieza entre en contacto ficticio con la superficie del punzón. Deformaciones residuales Una vez que el punzón ha conformado la pieza hasta alcanzar la posición requerida, se procede a retirarlo de dicha posición para obtener las deformaciones y tensiones residuales. La Fig. (8) muestra las deformaciones residuales equivalentes en la superficie de la pieza obtenidas a lo largo del camino path x. Por otro lado, la Fig. (9) presenta los perfiles de deformaciones residuales a lo largo del eje y en el centro de la pieza ( path y ). Al

5 Estudio sobre la influencia del rozamiento en operaciones de forja localizada-incremental mediante 5 observar la figura se comprueba que las mayores deformaciones residuales se alcanzan en ambos perfiles en el caso sin rozamiento, siendo la condición de rozamiento de adherencia la que proporciona valores menores. Fig. 8. Perfiles de deformación residual equivalente en la superficie de la pieza. Fig. 9. Perfiles de deformación residual equivalente en el centro de la pieza. Existe una tendencia de deformación más homogénea en el caso sin rozamiento, donde las curvas presentan un trazado más suave y una tendencia monótona creciente. Para los dos casos con rozamiento se observa un descenso de los valores al aproximarse al punto central de contacto. Desde el punto de vista de los procesos LIF son deseables perfiles de deformación lo más homogéneos posibles, para evitar eventuales fallos de la pieza en servicio. En la Fig. (10) se muestran los correspondientes diagramas de contorno. (a) (b) (c) Fig. 10. Diagramas de contorno de deformación residual equivalente: (a) = 0, (b) = 0,1, (c) rugoso. Tensiones residuales Otra de las variables de interés son las tensiones residuales. En las Fig. (11) y (12) se presentan los perfiles de tensión residual equivalente a lo largo de los dos caminos definidos ( path x y path y ). En este caso, los mayores valores de tensión residual se registran en el caso sin rozamiento, siendo la operación con rozamiento de adherencia la que registra los valores menores. Como es sabido, un cierto grado de tensión residual en la superficie de las piezas presenta ciertas ventajas ya que implica una mayor resistencia al desgaste así como la obtención de una superficie de mayor resistencia mecánica con carácter general. Ello puede tener interés en aplicaciones en las que las piezas van a estar sometidas a ciertos valores de carga.

6 A.M. Camacho et al. / XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica (2010) 6 Fig. 11. Perfiles de tensión residual equivalente en la superficie de la pieza. Fig. 12. Perfiles de tensión residual equivalente en el centro de la pieza. No obstante, desde el punto de vista del conformado de piezas mediante procesos LIF, se prefieren aquellos perfiles en los que las tensiones residuales sean menores, particularmente en la parte más superficial de la pieza, ya que es en esa zona donde se va a iniciar la deformación plástica. Para conformar una pieza de manera incremental es necesario disminuir los valores de tensión residual en la medida de lo posible, fundamentalmente para minimizar el endurecimiento por deformación alcanzado en operaciones previas, lo que daría lugar a requerimientos de carga mayores en sucesivas operaciones. En la Fig. (13) se muestran los correspondientes diagramas de contorno. (a) (b) (c) Fig. 13. Diagramas de contorno de tensión residual equivalente: (a) = 0, (b) = 0,1, (c) rugoso. En la Fig. (14) se ha recogido los diagramas de contorno correspondientes a las tensiones residuales en la dirección principal y (dirección de accionamiento del punzón). En ellas puede verse el signo de las tensiones alcanzadas en la pieza. Los signos negativos indican compresión, mientras que los signos positivos denotan tensiones de tracción. Se puede observar que a medida que aumenta el rozamiento la región en la que se registran tensiones de tracción aumenta.

7 Estudio sobre la influencia del rozamiento en operaciones de forja localizada-incremental mediante 7 (a) (b) (c) Fig. 14. Distribuciones de tensión residual principal en la dirección y: (a) = 0, (b) = 0,1, (c) rugoso. CONCLUSIONES En los procesos de forja convencional el rozamiento es un fenómeno que da lugar a problemas de diversa índole, sobre todo en determinadas configuraciones geométricas y cuando el conformado tiene lugar en caliente. No en vano existen multitud de estudios que han analizado en profundidad este tema. Sin embargo, en este trabajo se ha puesto de manifiesto que el rozamiento en operaciones como la analizada parece no tener una influencia significativa ni en las fuerzas requeridas ni en las presiones de contacto, donde se han obtenido perfiles muy similares. Ello presenta la ventaja de que ninguna de estas dos variables parece suponer una limitación a la ejecución de estos procesos. Sin embargo, se ha observado diferencias en los perfiles de tensiones y deformaciones residuales registrados. En este sentido, la operación perfectamente lubricada (sin rozamiento) parece presentar los mayores valores tanto de deformación como de tensión residual, si bien se obtienen perfiles de deformación más homogéneos. Parece, por tanto, que el hecho de que exista cierto rozamiento en la intercara pieza-herramienta puede tener efectos beneficiosos desde el punto de vista del conformado en operaciones y procesos LIF, ya que las tensiones residuales registradas son menores que en un caso sin rozamiento, lo que contribuye a minimizar el efecto del endurecimiento por deformación en operaciones incrementales. AGRADECIMIENTOS Este trabajo ha sido subvencionado por el Proyecto de Investigación DPI del Plan Nacional del Ministerio de Ciencia e Innovación. REFERENCIAS [1] F. Micari, G. Ambrogio, L. Filice, Shape and dimensional accuracy in Single Point Incremental Forming: state of the art and future trends, J. Mater. Process. Tech., (2007),

8 A.M. Camacho et al. / XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica (2010) 8 [2] A. Attanasio, E. Ceretti, C. Giardini, L. Mazzoni, Asymmetric two points incremental forming: improving surface quality and geometric accuracy by tool path optimization, J. Mater. Process. Tech., (2008), [3] K. Jackson, J. Allwood, The mechanics of incremental sheet forming, J. Mater. Process. Tech., 209 (2009), [4] P. Groche, D. Fritsche, E.A. Tekkaya, J.M. Allwood, G. Hirt, R. Neugebauer, Incremental bulk metal forming, CIRP Ann.-Manuf. Techn., 56-2 (2007), [5] R. Kopp, Innovations in metal forming in the world, Proc. Int. Conf. on Technology of Plasticity (ICTP 2008), Gyeongju, (2008). [6] A.M. Camacho, C. Vallellano, M.A. Sebastián, J. García-Lomas, Análisis mediante el MEF de los efectos de la geometría del extremo del punzón en procesos de forja localizada-incremental, XVII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica (CNIM 08), Gijón, España, (2008). [7] M.A. Sebastián, A.M. Camacho, Geometrical study and basis for the analysis of localized-incremental forging processes by FEM, Proc. Int. Conf. on New Forming Technology (2nd ICNFT), Bremen, Alemania, (2007). [8] A.M. Camacho, M.A. Sebastián, Analysis of competitive localized-incremental forging processes, Proc. Int. Conf. on Innovative Production Machines and Systems (IPROMS 2007), Virtual Conference, (2008). [9] G. Hirt, R. Kopp, O. Hofmann, M. Franzke, G. Barton. Implementing a high accuracy Multi-Mesh Method for incremental Bulk Metal Forming, CIRP Ann.-Manuf. Techn., 56 (2007), 1, p [10] S. Dejardin, S. Thibaud, J.C. Gelin, G. Michel, Experimental investigations and numerical analysis for improving knowledge of incremental sheet forming process for sheet metal parts, J. Mater. Process. Tech., 210 (2010), [11] D. Hibbitt, B. Karlsson, P. Sorensen, ABAQUS v6.6 User s Manuals, Providence, (2007).