Trabajo de Fin de Grado Grado en Ingeniería Aeroespacial

Transcripción

1 Trabajo de Fin de Grado Grado en Ingeniería Aeroespacial Análisis experimental de deformaciones límites en conformado incremental mono-punto de chapas de AISI 304 con herramientas de pequeño diámetro Autor: José Manuel Carmona Romero Tutor: Gabriel Centeno Báez Dep. Ingeniería Mecánica y de los Materiales Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2014

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4 Trabajo de Fin de Grado Grado en Ingeniería Aeroespacial Análisis experimental de deformaciones límites en conformado incremental mono-punto de chapas de AISI 304 con herramientas de pequeño diámetro Autor: José Manuel Carmona Romero Tutor: Gabriel Centeno Báez Profesor Contratado Doctor Departamento de Ingeniería Mecánica y Fabricación Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, Junio de 2014

5 Proyecto Fin de Carrera: Análisis experimental de deformaciones límites en conformado incremental mono-punto de chapas de AISI 304 con herramientas de pequeño diámetro Autor: José Manuel Carmona Romero Tutor: Gabriel Centeno Báez El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, junio de 2014 El Secretario del Tribunal

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7 Dedicatoria A mis padres

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9 Agradecimientos A todos los miembros del grupo de Ingeniería de los Procesos de Fabricación del Departamento de Ingeniería Mecánica y de los Materiales por su interés por la evolución del trabajo. A mi tutor Gabriel Centeno, por su tiempo, dedicación y entusiasmo, que han hecho que sienta verdadero interés y motivación por el trabajo.

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11 Resumen Con éste proyecto se trata de ampliar y dar un enfoque distinto a trabajos anteriores sobre el estudio experimental de los límites de conformabilidad en chapas de acero AISI 304 deformadas mediante conformado incremental mono-punto, en inglés Singlepoint incremental forming (SPIF) y la influencia de diversos parámetros en el proceso, como son el diámetro de la herramienta, la profundidad por pasada y la velocidad de giro de la herramienta. Para ello, se han analizado los ensayos con diámetros de herramienta de 6 mm, incluyendo ensayos de tracción-flexión (strech-bending) con diámetro de herramienta similar y comparando los resultados con los obtenidos en la tesis fin de máster de Carlos Suntaxi Guallichico (Junio de 2013) para diámetros de herramienta de 10 y 20 mm. Para ello, se realiza un estudio de las deformaciones mediante los sistemas ópticos de medida ARGUS y ARAMIS, además de mediciones directas al microscopio en las zonas de fallo de las probetas a fin de determinar las deformaciones de fractura. A través del primero se obtienen las deformaciones principales alcanzadas en los ensayos de SPIF para distintos valores del diámetro de la herramienta, la penetración por pasada y la velocidad de giro de la herramienta. Con el segundo programa se realizan los ensayos de strech-bending con diámetro de punta de herramienta de 5 mm, comparándose los resultados con los obtenidos en SPIF. Finalmente se analizan los resultados de las deformaciones límites obtenidas por SPIF y se comparan respecto del diagrama de límite de conformado convencional obtenido a partir de ensayos tipo Nakazima.

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13 Abstract This project intends to enlarge and give a different focus to previous research work on the setting of the forming limits of AISI 304 stainless steel metal sheets deformed by Single-Point Incremental Forming (SPIF), analyzing the influence of a series of process parameters, such as the tool diameter, the step down and the spindle speed. With this aim, a series of tests using a 6 mm diameter forming tool have been carried out. On the other hand, stretch-bending tests using a similar tool diameter were also carried out in order to compare their results with those obtained in the Master Thesis of Carlos Suntaxi Guallichico (2013), who focused on 10 and 20mm tool diameters. With this purpose, the analysis of principal strains was performed by high-performance optical measurement systems ARGUS and ARAMIS, besides the direct thickness measurements along the crack by microscope in order to determine fracture strains. The former measurement system ARGUS was used to evaluate the principal strains in SPIF within the principal strains space, while the latter digital image correlation (DIC) system ARAMIS allowed to evaluate principal strains for stretch-bending tests. The strain evolutions in SPIF and Stretch-bending were then analyzed and compared. Finally, the forming limits obtained by SPIF were analyzed and compared with conventional forming limit diagram (FLD) obtained from Nakazima tests.

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15 ÍNDICE GENERAL 1 Introducción Antecedentes Objetivos Diagramas de límite de conformado Ensayo de estirado tipo Nakazima Procesos de conformado incremental Conformado incremental mono punto Componentes básicos Ventajas y desventajas La herramienta de conformado El utillaje Equipos para conformado incremental Diagramas de límite de conformado en SPIF Medición de deformaciones Método de patrón de círculos Sistema ARGUS Sistema ARAMIS Desarrollo experimental Deformaciones límite por deformación incremental Ensayos en SPIF Captura de imágenes Procesamiento de imágenes con ARGUS Deformaciones límite Obtención del Diagrama de límite de conformado... 52

16 2.2.1 Equipo para la experimentación Preparación de probetas Mediciones con ARAMIS Determinación de deformaciones en fractura vía reducción del espesor Puntos de fractura en SPIF Puntos de fractura de los ensayos Nakazima Conformabilidad en conformado incremental mono-punto (SPIF) Introducción Deformaciones límite en SPIF Deformaciones límite en Strech-Bending Diagrama de límite de conformado Conclusiones y desarrollos futuros Bibliografía

17 Índice de figuras Figura 1: Diferentes estados de las deformaciones principales Figura 2: Curva representativa de los diferentes mecanismos de fallo Figura 3: FLD para materiales muy dúctiles y poco dúctiles Figura 4: Curva límite de conformado (Silva et al. 2011) Figura 5: Esquema de un ensayo tipo Nakazima Figura 6: Probetas entalladas en ensayos tipo Nakazima Figura 7: Configuraciones del conformado incremental Figura 8: Esquema del SPIF Figura 9: Herramienta de conformado incremental Figura 10: Utillaje de sujeción de la chapa Figura 11: Maquina CNC de grandes dimensiones y carga Figura 12: Maquina dedicada para SPIF Figura 13: Robotic Incremental Sheet Metal Forming Figura 14: Plataforma Stewart Figura 15: Formas cónicas para ensayos en SPIF Figura 16: Puntos de fractura según paso en profundidad (Micari, 2004) Figura 17: Patrón de círculos antes y después de la deformación Figura 18: Principio de fotogrametría Figura 19: Patrón de puntos estandarizados Figura 20: Chapa en estado inicial y final Figura 21: Puntos codificados de referencia espacial Figura 22: Patrón de puntos antes y después de la deformación Figura 23: Modo de visualización Figura 24: Visualización de resultados Figura 25: Patrón estocástico Figura 26: Facetas antes y después de la deformación Figura 27: Unidad sensora de ARAMIS Figura 28: Imagen estéreo de la probeta Figura 29: Representación de las facetas y la superposición Figura 30: Dispositivo experimental SPIF montado en una fresadora CNC Kondia Figura 31: Elemento dispuesto previo a la medición con ARGUS Figura 32: Problemas frecuentes ARGUS Figura 33: Deformación mayor en secciones medida por ARGUS..52

18 Figura 34: Deformaciones principales en una sección central Figura 35: Evolución de las deformaciones principales en SPIF.53 Figura 36: Máquina de ensayos de embutación universal Figura 37: Probetas para los estados: uniaxial, deformación plana y biaxial Figura 38: Pintura de fondo para el patrón Figura 39: Patrón estocástico sobre las probetas 56 Figura 40: Punzón Figura 41: Probetas ensayadas..57 Figura 42: Medida de la deformación mayor en secciones Figura 43: Reducción máxima del espesor Figura 44: Deformaciones principales para una sección Figura 45: Estimación de deformación en la fractura Figura 46: Bordes en la zona de fractura lado-a 60 Figura 47: Zona inicio y fin de crecimineto de grieta probeta nº28 cara-a 60 Figura 48: Zona inicio y fin de crecimineto de grieta probeta nº28 cara-b Figura 49: Medida del espesor en una sección perpendicular.. 61 Figura 50: Evolución de las grietas Figura 51: Funcionamiento Herramienta Figura 52: Medición de espesores Figura 53: Tendencia deformaciones con φ=6mm 66 Figura 54: Tendencia deformaciones con φ=10mm.. 66 Figura 55: Tendencia deformaciones con φ=20mm. 67 Figura 56: Tendencia deformaciones por diámetros Figura 57: Defromaciones Strech-bending varios diámetros Figura 58: SPIF vs Strech-bending φ=6mm Figura 59: SPIF vs Strech-bending φ=10mm Figura 60: SPIF vs Strech-bending φ=20mm Figura 61: Tendencias FFL varios diámetros

19 Índice de tablas Tabla 1 Parámetros de ensayos del SPIF Tabla 2 Características de la máquina de ensayos de embutición... 53

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21 1 Introducción El aumento de la conformabilidad de chapas metálicas mediante procesos de conformado incremental (incremental sheet forming ISF), particularmente en el conformado incremental mono punto (single point incremental forming SPIF), ha sido estudiado experimentalmente por muchos autores de la comunidad de conformado en los últimos años como en: Emmens et al. (2009) Jeswiet et al. ( 2010) o Silva et al ( 2011) entre otros. Por un lado, la revisión exhaustiva analiza una serie de mecanismos que afectan a la mecánica de deformación y que tiene una influencia en retrasar el fallo en el ISF. Estos mecanismos, en orden de importancia, son, entre otros, el efecto beneficioso de los esfuerzos de flexión y corte, las tensiones de contacto, el esfuerzo cíclico y las tensiones hidrostáticas. De hecho, el efecto de flexión, se ha señalado, Emmens et al. (2011), como parámetro dominante en la prevención de formación del cuello en el ISF antes de la fractura y que permite llegar a deformaciones muy por encima de la curva de límite convencional de formación (forming limit curve FLC). En los procesos de conformado de chapa metálica, se pueden esperar dos tipos de fallos: el controlado por la estricción, donde todas las capas llegan a ser plásticamente inestables y el controlado por la fractura en las capas externas. En el conformado incremental, el cambio entre el primer y segundo modo de fallo se observa a medida que el radio de la herramienta de conformado disminuye. De hecho, algunos estudios recientes permiten concluir que el modo de fallo antes descrito, depende del parámetro t/r, de la relación entre el espesor de la chapa t y del radio de la herramienta de conformación R, como han señalado Vallellano et al. (2010) y Stoughton et al. ( 2011) en procesos de estirado con flexión (stretch-bending), y por Silva et al. (2011) en el caso del SPIF. En este sentido, Centeno et al. (2012) sugirieron también la importancia de cuantificar la mejora de la capacidad de conformación en ISF, debido al efecto de flexión por medio de la relación t/r. 21

22 Este trabajo trata de mejorar el nivel de comprensión de los efectos de flexión en forma gradual a través de un análisis experimental de la conformabilidad en SPIF de chapas de acero AISI 304. Para ello, se realizarán una serie de ensayos de SPIF usando varios diámetros de herramienta (tool diameters) y de pasos de profundidad (step downs) con y sin giro de la herramienta. La conformabilidad global del material se estudiará mediante la realización de un mallado de patrones circulares en las probetas indeformadas, utilizando una metodología similar a la utilizada en Centeno et al. (2012 b). Los resultados muestran la importancia del efecto de la flexión en la mejora de la capacidad de conformación en SPIF, en comparación con los procesos convencionales de estampado. 1.1 Antecedentes El grupo de investigación de Ingeniería de los Procesos de Fabricación del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Sevilla, investiga desde hace varios años el conformado de chapas metálicas, más específicamente la influencia de la flexión en los procesos de conformado. Bajo esta línea de investigación, en años anteriores se ha desarrollado una metodología para estimar los diagramas límite de conformado tanto en ensayos de estirado como ensayos de estirado con flexión. La validez de dicha metodología se debe constatar para un amplio tipo de materiales, entre estos los aceros y en especial el acero AISI 304 empleado en la industria química en general, alimentación, refinerías, industria lechera, etc. 1.2 Objetivos Objetivo general Analizar experimentalmente las deformaciones límites en chapas de acero AISI 304 en conformado incremental y en estirado con flexión para pequeños diámetros de punzón. Objetivos específicos 1. Revisar el estado del arte de los procesos de conformado incremental a través de las publicaciones especializadas en el tema. 2. Establecer la metodología de medición de deformaciones en las chapas. 3. Obtener las deformaciones límite de conformado para el acero AISI 304 en SPIF con herramienta de 6 mm de diámetro y en stretch-bending de 5 mm. 4. Comparar dichas deformaciones experimentales respecto a los límites del conformado convencionales obtenidos a partir de ensayos Nakazima. 5. Establecer la influencia de los parámetros del proceso incremental en las deformaciones límites que se han obtenido. 22

23 1.3 Diagramas de límite de conformado La conformabilidad de una chapa metálica se define, generalmente, como la habilidad que tiene el metal para deformarse hasta la forma deseada sin producirse la fractura o la reducción excesiva del espesor por estricción. Cualquier tipo de metal sólo puede deformarse bajo estas condiciones hasta unos valores límites, los cuales son representados por los diagramas de límites de conformado. La conformabilidad está relacionada con el estado de deformaciones (Marciniak 2002), definida como la combinación de las deformaciones principales: ε 1, ε 2 y ε 3. La suma de estas se asume igual a cero por la conservación de volumen. Solamente son necesarias dos de ellas para especificar el estado de las deformaciones. La relación entre estas dos deformaciones se expresa convencionalmente como 2 1 Algunos valores de β describen situaciones de particular interés, por ejemplo: β = 1, en este caso ε 1 = ε 2, la deformación es constante en todas las direcciones. Este se refiere al estado equi-biaxial. (equi-biaxial) β = 0, en este caso no hay deformación en la segunda dirección principal, ε 1 = 0 y es llamado deformación plana (plane-strain) β = -0.5, es el estado de la prueba de tensión en un material isotrópico y se denomina uniaxial (uniaxial) β = -1, en este caso ε 1 + ε 2 = 0 y consecuentemente ε 3 = 0; no hay cambio en el espesor. Este estado se observa en las bridas de la embutición profunda y por ello este estado se denomina embutición profunda (deep-draw). 23

24 Figura 1: Diferentes estados de las deformaciones principales Al realizar ensayos en estados diferentes de deformaciones, se hace evidente que el fallo de la chapa ocurre siempre a diferentes niveles de deformación, creándose una curva de fallo como la mostrada en la Figura 2. En ella se observa que algunos caminos llegan antes a la llamada curva de estricción (Necking). En el fallo por estricción, existe un adelgazamiento localizado del espesor de la chapa. Sin embargo, al tomar otros caminos se puede llegar a otra curva llamada de fractura dúctil (Fracture). El que se produzca uno u otro mecanismo de fallo dependerá del material en estudio y del camino de deformaciones al que esté sometido el mismo. Figura 2: Curva representativa de los diferentes mecanismos de fallo 24

25 El diagrama anterior es lo que se conoce con el nombre de Diagramas Límites de Conformado (Forming limit diagram FLD), desarrollados por Keeler (1965) y Goodwin (1968). Son herramientas muy útiles para la evaluación de la capacidad de conformado de las chapas metálicas. Se utilizan en todas las fases de la producción de un producto de chapa, por ejemplo, en la simulación con elementos finitos durante el diseño de un producto y para diseñar el proceso de conformado, en las pruebas con las herramientas conformadoras y en el control de calidad durante el proceso de producción. El FLD consiste en una gráfica que representa la deformación principal mayor, ε 1, frente a la menor, ε 2, y que muestra una línea denominada Curva Límite de Conformado (Forming limit curve FLC), la cual divide los estados de deformación entre aquellos que permiten el correcto conformado de la chapa y los que producen el fallo de la misma. La FLC proporciona una medida simple de la severidad del conformado. En la práctica, se modifica el diseño de la matriz o el punzón o el proceso de conformado hasta que las deformaciones en todos los puntos de la chapa están dentro del margen de seguridad que proporciona la FLC. Dependiendo del tipo de fallo, se puede distinguir el inicio de la estricción localizada (FLC) y el principio de la fractura dúctil (FFL). La Figura 3, muestra la evolución típica de las FLC y FFL observadas en los experimentos. Como puede apreciarse, la FLC normalmente presenta una curva en forma de V, decreciente en el lado de la izquierda (β = dε 2/dε 1 <0 ) y creciente en el lado de la derecha (β 0), también llamada región de estirado biaxial. Las tendencias de la FFL dependen de la ductilidad del material. De esta forma, para chapas con una ductilidad relativamente alta, la FFL tiende a tener una forma lineal, como se ve en la Figura 3(a). En cambio, los materiales con relativa baja ductilidad exhiben una FFL mucho más compleja, Figura 3(b). En estos casos, la FFL también muestra una forma parecida a una curva en V, ligeramente creciente en la región de estirado y acercándose a la FLC las trayectorias de deformación biaxial (β =1). 25

26 Figura 3: FLD para materiales muy dúctiles y poco dúctiles En la actualidad, tanto la evaluación numérica del proceso de conformado de chapa como la estimación numérica del FLD, son tareas importantes en la industria de conformado de chapa. Entre otras cosas, estas tareas necesitan de la utilización de un criterio adecuado de fallo que tenga en cuenta el material que se está conformando y el proceso de conformado que se está utilizando. En la literatura científica existe una amplia variedad de criterios de fractura dúctil. Algunos estudios han demostrado que los criterios de fractura continua (criterios integrales) predicen satisfactoriamente la FFL lineal. No obstante, estos criterios no son capaces de reproducir la FFL observada para chapas metálicas de baja ductilidad, con una curva bien en forma de V o bien en forma compleja, en la región de estirado. En estos casos, se ha comprobado que los criterios de fallo basados en la tensión tangencial, como el de Tresca o Bressan, proporcionan una buena aproximación a la FFL experimental en un rango amplio de relaciones de deformación. Estos diagramas se obtendrán realizando una serie de ensayos, entre ellos: ensayos de tensión, de estiramiento (streching) y de flexión (streching-bending). Un ejemplo de los resultados de estos ensayos se muestra en la Figura 4. 26

27 Figura 4: Curva límite de conformado (Silva et al. 2011) 1.4 Ensayo de estirado tipo Nakazima. Este ensayo consiste en tomar una probeta, previamente preparada, y colocarla en el prensa chapas. Luego, se coloca la matriz encima y se sujeta todo el sistema (prensa chapas-matriz). Con el sistema ya cerrado se hace subir un punzón hemisférico de ø=100mm, el cual debe lubricarse antes de empezar el ensayo, se sube a una velocidad determinada y se deforma la probeta hasta el fallo. En la Figura 5, se puede observar este tipo de montaje, donde observamos adicionalmente un cordón de estirado (draw-bead) en el prensa chapa, el cual impide el deslizamiento de la chapa. 27

28 Chapa Cordón de estirado Punzón Matriz Prensa-chapa Figura 5: Esquema de un ensayo tipo Nakazima Este ensayo de estirado es el más utilizado. De hecho, se toma como referente en la norma ISO , la cual estandariza la obtención de las curvas límites de conformado en laboratorios, tanto los parámetros del ensayo como la metodología para detectar el inicio de la estricción localizada. Esta parte de la Norma ISO especifica las condiciones de ensayo que se han de utilizar cuando se determina la curva del límite de conformado a temperatura ambiente y utilizando trayectorias de deformación lineal. El material que se considera es plano, metálico y de espesor comprendido entre 0.3 mm y 4 mm, siendo para el acero un valor aconsejado de 2.5mm. También se estandariza el resto de condiciones de ensayo, como pueden ser el tipo de lubricación, la velocidad del punzón, las direcciones de los ensayos o las geometrías de las probetas. Para el caso de la geometría, se recomiendan probetas entalladas (Figura 6) con una parte central calibrada, de longitud superior al 25% del diámetro del punzón (para un punzón de 100 mm, con longitud del eje preferentemente entre 25 y 50 mm y un radio de acuerdo entre 20 y 30 mm). Figura 6: Probetas entalladas en ensayos tipo Nakazima Fuente: Wilko C. Emmens. Formability (2011), pág

29 1.5 Procesos de conformado incremental Actualmente, se dispone de nuevos métodos de conformado incremental de chapa (Incremental sheet forming ISF) con los cuales es posible realizar piezas fabricadas por encargo o lotes de pequeñas cantidades de producción, con un ciclo muy corto entre el diseño y la fabricación. Schmoeckel (1992) predijo que con el aumento en la automatización de equipos de conformado de metal, se convertirían en procesos más flexibles, lo cual ha sucedido. La idea de formar gradualmente una chapa con una sola herramienta de punto, fue patentado por Leszak (1967) antes que fuera técnicamente factible. Hoy en día, existen nuevos procesos en los que la chapa se deforma plásticamente en un punto local, permitiendo que la producción de piezas de chapa complejas sea verdaderamente flexible. Esto puede realizarse ya sea en pequeños lotes, por lotes con plazos de entrega cortos o en la producción de prototipos rápidos utilizables dentro de un día. Los nuevos procesos son más atractivos debido a que la fabricación de piezas de chapa metálica puede lograrse en cualquier instalación que disponga de una fresadora CNC de tres ejes. La inspiración para los procesos emergentes se encuentra generalmente en métodos de formación tradicionales. Estos procesos convencionales están típicamente limitados en lo que se refiere a geometría de la pieza alcanzable y requieren herramientas específicas y matrices. Tanto el hardware como el software de CNC han alcanzado un estado de madurez que permiten el desarrollo de nuevos procesos de conformado de chapa. Los nuevos métodos de conformado dan la posibilidad de crear instalaciones de conformado flexibles, sin matrices, capaces de producir superficies de formas complejas, con la aplicación de herramientas genéricas. El objetivo final es dar forma sin matriz. Se han explorado muchas variaciones de conformado incremental, incluyendo el uso de un chorro de agua, rodillos o herramientas de martilleo con vibración, pero aun así la herramienta más utilizada es un indentador sólido semiesférico. Las dos configuraciones más comunes son: single-point incremental forming (SPIF) y two-point incremental forming (TPIF) (Figura 7). En el SPIF, una chapa sujetada alrededor de sus bordes es ensayada con una sola herramienta, mientras que en TPIF se requiere de una matriz parcial o total y una segunda herramienta móvil que sigua la trayectoria de la herramienta principal. En ambos casos, las trayectorias de las herramientas más comunes son contornos o espirales de aumento de la profundidad, siguiendo el perfil del producto. 29

30 Figura 7: Configuraciones del conformado incremental A pesar de una extensa investigación del ISF durante la última década, el mecanismo de deformación no se conoce. La comprensión del mecanismo de deformación es importante para permitir desarrollar modelos numéricos precisos del proceso en el control de la trayectoria y para el diseño de la herramienta, así como para una comprensión de los elevados límites de deformación observados en ISF en comparación con el estampado tradicional. 1.6 Conformado incremental mono punto Componentes básicos La Figura 8 representa los componentes básicos del proceso. La trayectoria de la herramienta se genera en un centro de mecanizado CNC y es utilizado para formar progresivamente la chapa de un componente. Durante el proceso, no hay ninguna matriz de apoyo que soporte la superficie posterior de la lámina. Una característica del SPIF es que la herramienta se desplaza mientras deforma la chapa. Existen dos casos: (1) el husillo contiene la herramienta y se desplaza sin rotación, (2) el husillo gira de modo que la herramienta de formación se desplaza sobre la superficie de la lámina. El control de esta variable controla el calentamiento de la chapa durante la deformación. La herramienta de formación tiene una forma semiesférica, y es presionada contra el material a fin de causar la deformación. La fuente más obvia de calefacción es la fricción. A medida que la 30

31 herramienta se desplaza sobre la superficie de la pieza de trabajo, esta también gira con un determinado número de revoluciones por minuto. Figura 8: Esquema del SPIF Ventajas y desventajas Las ventajas de SPIF son las siguientes Producción de piezas directamente desde un archivo CAD No hay necesidad de una matriz positiva o negativa Los cambios de diseño pueden ser fácil y rápidamente realizados Aumento de la capacidad de conformación material Se puede realizar en una máquina convencional de CNC Debido a la naturaleza incremental del proceso, las fuerzas son pequeñas Dimensión de las partes sólo limitadas por la máquina herramienta Se puede lograr un buen acabado superficial En cuanto a las desventajas, se presentan las siguientes: Tiempo más largo de procesamiento en comparación con la embutición profunda convencional Se limita a pequeños lotes de tamaño de producción La formación de ángulos rectos debe ser alcanzado mediante varias fases Geometría menos precisa, en particular en los radios de flexión convexa y bordes Ocurre recuperación elástica, aunque se puede minimizar con el uso de algunos algoritmos de corrección La herramienta de conformado El elemento principal es la herramienta sólida de punta hemisférica que asegura un contacto continuo en un punto de la chapa donde se deforma plásticamente el material (Figura 9). Las 31

32 herramientas son diseñadas y fabricadas por los usuarios, pues aún no son se dispone de una amplia variedad en el mercado. En los ángulos de pared muy inclinados, puede llegar a ser necesario el uso de un vástago de herramienta menor que el diámetro del extremo esférico. El contacto entre el vástago y la chapa se evita de esta manera. Esto debe tenerse en cuenta para la generación de la trayectoria. Figura 9: Herramienta de conformado incremental Una vez se establece una forma de la herramienta, con un radio específico para la cabeza semiesférica, se deben decidir qué materiales usar para la fabricación de la herramienta. En la mayoría de los casos, un acero para herramientas es adecuado para la mayoría de aplicaciones. Para reducir la fricción y aumentar la vida útil de la herramienta, esta puede ser recubierta o incluso hecha de carburo cementado. El desgaste de la herramienta puede llegar a ser una consideración importante, teniendo en cuenta que la lubricación puede ayudar a reducir el desgaste. La amplia gama de diámetros de herramienta utilizadas comprende desde pequeños diámetros de 6 mm hasta grandes diámetros de 100 mm para la fabricación de piezas grandes, los cuales requieren de mucha más potencia debido al mayor ángulo de contacto. El diámetro usado depende del radio cóncavo más pequeño requerido. También tiene una influencia sobre la calidad de la superficie y/o el tiempo de fabricación El utillaje En primer lugar, se necesita de un soporte o utillaje rígido (blankholder), necesario para sujetar los extremos de la chapa y evitar los movimientos relativos de esta (Figura 10). Para el caso del TIF, la plataforma que sujeta la chapa debe poder deslizarse sobre guías en la dirección vertical. 32

33 Figura 10: Utillaje de sujeción de la chapa Equipos para conformado incremental En general, todas las máquinas CNC de tres ejes (Figura 11) son válidas para llevar a cabo el SPIF. Las altas velocidades, grandes volúmenes de trabajo y rigidez son favorables. Las máquinas de fresado están disponibles en diferentes diseños, que difieren en el volumen de trabajo, máxima velocidad de avance, máxima carga, rigidez y costo Figura 11: Maquina CNC de grandes dimensiones y carga Fuente: Gantry-CNC-Milling-Machine.html Hasta el momento, sólo un fabricante produce una máquina especialmente diseñada para este propósito (Hirt, 2004), ver Figura 12. Cuenta con altas velocidades de avance, volúmenes de trabajo de tamaño medio y está equipado con un pisador móvil controlado. Se basa en la 33

34 tecnología desarrollada en Amino, et al. (2002) incluyendo una patente de Aoyama, et al. (2000) Figura 12: Maquina dedicada para SPIF Además de estas, se dispone de otros conjuntos de máquinas. Algunas pueden ser utilizadas para formas reentrantes. Actualmente, se están probando robots industriales ( Figura 13) que tienen un gran volumen de trabajo, controladores rápidos, baja rigidez y fuerzas máximas admisibles. Varios institutos están tratando de aplicar los robots al conformado incremental como: Schafer et al.(2004) y Meier et al. (2005). Este método de conformado está en desarrollo y parece prometedor. Un caso especial de una aplicación de robots, es que en lugar de una herramienta rígida que se mueva continuamente, existe la conformación incremental a golpe de martillo. En este caso, la punta de la herramienta de formación tiene un movimiento oscilante rápido que da la forma deseada a la chapa. Figura 13: Robotic Incremental Sheet Metal Forming Fuente 34

35 La plataforma Stewart (Stewart, 2005) ofrece infinitos grados de libertad (Figura 14). No se está utilizando, pero tiene un gran potencial, sobre todo si se compara con las fresadoras de cinco ejes. Figura 14: Plataforma Stewart Fuente: Diagramas de límite de conformado en SPIF Los Diagramas de límites de Conformado son tradicionalmente una de las herramientas utilizas para decidir si un material de un espesor particular puede formarse mediante un proceso de embutición profunda. Esto ha sido aplicado a la deformación incremental. Se pueden observar diferentes trabajos basados en diagramas límite de conformado en ISF, como por ejemplo Filice et al. (2002), Micari (2004), Hirt et al. (2003) y Young et al. (2005), cada uno de los cuales desarrolla una geometría esencialmente cónica. Figura 15: Formas cónicas para ensayos en SPIF 35

36 Los cuatro parámetros de interés por lo general son: el espesor de la lámina (thickness), el desplazamiento vertical Δz (step down), la velocidad de giro y el tamaño de la herramienta. El step down tiene una influencia significativa sobre la capacidad de conformado y la rugosidad de la superficie. Con el aumento de Δz, la chapa se somete a condiciones de deformación más severas. Pruebas realizadas por Micari ( 2004) en aluminio AA 1050-O, de 1 mm de espesor con configuración de cono, muestran que la conformabilidad de la chapa disminuye como consecuencia directa del aumento de Δz. Figura 16: Puntos de fractura según paso en profundidad (Micari, 2004) El aumento de la velocidad angular del cabezal o husillo puede aumentar la capacidad de formación. Este aumento de la capacidad de conformación se debe tanto a un calentamiento local de la lámina como a una reducción positiva por efectos de fricción en la interfaz de la herramienta-lámina. Hay un aspecto negativo, ya que la herramienta de formación se desgasta más rápidamente y, además, los lubricante tienden a quemarse creando así problemas de seguridad y medioambientales. Un papel importante lo juega el diámetro de la herramienta, donde un pequeño radio tiende a concentrar la zona de deformación en la chapa bajo la herramienta, mientras mayores radios consiguen distribuir las deformaciones sobre un área más extensa. A medida que el radio de la herramienta de conformación aumenta, el proceso se vuelve más similar al estampado tradicional, reduciendo de este modo los límites de conformabilidad. 36

37 1.7 Medición de deformaciones Método de patrón de círculos El método consiste en imprimir en una chapa sin deformar de espesor t 0, un patrón de círculos de diámetro conocido d 0. Esta impresión se realiza por grabado electroquímico sobre la superficie a medir. Al deformarse la chapa durante el proceso de conformado, los círculos se convierten en elipses y sus ejes coinciden con las direcciones de las deformaciones principales (Figura 17). Estas se calculan entonces midiendo los valores de d 1, d 2 y t directamente o con aplicaciones ópticas de medición que se describen más adelante. Las deformaciones principales al final del proceso son: d 1 1 ln 2 ln d0 d d t t 0 (1) Figura 17: Patrón de círculos antes y después de la deformación Las ventajas de estos mallados son que se pueden aplicar y medir en el laboratorio después de haber sido deformado el material, independientemente de donde hayan sido deformados, ya que no están limitados por el área de trabajo. Una limitación es que se necesita de una cuadrícula perfecta. Esto significa que cualquier irregularidad en la red crea pequeños errores en el resultado final. Como consecuencia, la resolución está limitada, y por tanto, las pequeñas deformaciones son difíciles de medir. Otro enfoque es el uso de patrones irregulares, pero esto se utiliza, preferiblemente, en situaciones en las que el proceso de deformación se pueda controlar mediante una cámara en todo momento. Esto limita la aplicabilidad, pero permite medir deformaciones muy pequeñas, y también estudiar el progreso durante todas las fases intermedias. 37

38 Estos procedimientos proporcionan las deformaciones mayores y menores en la superficie. La deformación del espesor se puede obtener bien por medición directa del espesor, o a partir de las deformaciones de la superficie, usando el criterio de volumen constante del material. Sin embargo, estas deformaciones son sólo las principales en ausencia de cizalladura, o más concretamente si los dos lados de la chapa no se han movido una con respecto a otra Sistema ARGUS ARGUS es un sistema de medición óptico de deformación en 3D sin contacto (GOM, 2013) que permite determinar los cambios en la forma de componentes de chapa metálica ensayada. Proporciona las coordenadas 3D de la superficie del componente, así como la distribución de las deformaciones principales en la superficie y la reducción del espesor del material. En el Diagrama de límite de conformado, las deformaciones medidas se comparan con las características del material. ARGUS apoya los procesos de optimización de conformado de chapa metálica por medio de: Rápida detección de áreas críticas de deformación Solución de problemas complejos de conformado Verificación de simulaciones numéricas Verificación de modelos de elementos finitos Creación de curvas de límite de conformado El principio de funcionamiento del sistema ARGUS se basa en la fotogrametría, también llamado teledetección. Este método permite calcular una geometría tridimensional sobre la base de un conjunto de imágenes bidimensionales. Debido a que el sistema ARGUS trabaja en escalas de grises, las fotografías deben ser en blanco y negro. La ubicación de los puntos espaciales de un objeto se determina mediante el uso de una triangulación de haces de luz direccionales. Esto puede ser explicado por la Figura 18, donde se da una representación esquemática del principio de fotogrametría. 38

39 Figura 18: Principio de fotogrametría En esta figura, el punto A(x, y, z) está determinado por dos imágenes. Cada imagen está tomada desde una cierta posición y dirección de visualización en el espacio. Esta posición y orientación está dada por el sistema de coordenadas de la cámara X'Y'Z'. El origen del sistema de coordenadas de la cámara corresponde al objetivo de la cámara, con el eje z perpendicular a la lente y la superficie sensible a la luz. La distancia entre el origen del sistema de coordenadas de la cámara y el centro de la superficie sensible a la luz, debe considerarse como la longitud focal de la cámara. Con esta información es posible construir una línea que pasa por el punto A' en la superficie sensible a la luz y el origen del sistema de coordenadas de la cámara Para medir las deformaciones en la superficie del objeto es necesaria un mallado de puntos que esté claramente visible en el objeto. La malla regular de puntos debe estar grabada en la chapa sin deformar (Figura 19). Al conformar la chapa, la rejilla se deforma conjuntamente con ella, y por tanto contiene la información necesaria de deformación (Figura 20). El grabado de la rejilla de puntos es un proceso electroquímico, llamado marcado electrolítico. Podemos distinguir dos tipos de ataque químico: el grabado negro (en caso de acero) o el grabado blanco (si el material es aluminio). ø1.5mm ø1mm ø0.5mm Figura 19: Patrón de puntos estandarizados 39

40 Figura 20: Chapa en estado inicial y final El sistema ARGUS viene con marcadores de código de barras circulares o puntos codificados, (Figura 21). Estos marcadores se colocan en la región de interés y son necesarios para el cálculo de la posición de la cámara con respecto al objeto para cada imagen. La posición de la cámara se determina con precisión por el centro de cada marcador, mientras que los segmentos de círculo alrededor del centro permiten que el software asigne un identificador único para el marcador. Figura 21: Puntos codificados de referencia espacial A fin de calcular la deformación, el estado no deformado se compara con el estado deformado (Figura 22). Por defecto, ARGUS supone un patrón inicial exactamente regular, que está en un plano y en que la distancia entre puntos es conocida. Esto se conoce como etapa de referencia virtual (virtual reference stage). El software también es capaz de analizar varios estados de deformación estática (etapas) dentro de un proyecto, en el que se puede ajustar cada etapa de deformación como deformación de referencia en cualquier momento 40

41 Inicial Deformado Figura 22: Patrón de puntos antes y después de la deformación Para permitir un completo campo de visión de las deformaciones, el programa cambia al modo de rejilla (grid), una superficie de cuadrícula que está formada por los centros de los puntos reconocidos. Cada punto de intersección de las líneas de la cuadrícula representa un punto de medición 3D. A partir de las coordenadas 3D de los puntos del objeto, se calculan los resultados actuales de la conformación y grosor de la chapa, teniendo en cuenta la geometría de la pieza y los principios de la teoría de la elasticidad. Estos cálculos también pueden realizarse para la línea central de la chapa en caso de que sea necesario aplicarlos a chapas de mayor grosor y radios de menor tamaño. Rejilla Superficie Figura 23: Modo de visualización En primer lugar, la conformabilidad se representan mediante un patrón de colores en una malla 3D de hasta un millón de puntos. Unas etiquetas ayudan a visualizar puntos concretos de la superficie de la pieza con sus valores de medición correspondientes. 41

42 Puntos identificados Deformación mayor Figura 24: Visualización de resultados A partir de la conformación pueden crearse diagramas de límite de conformado (FLD) en los que las curvas de límite de conformado (FLC) importadas permiten la evaluación del comportamiento durante el conformado Sistema ARAMIS ARAMIS es un sistema de medición óptico de deformaciones en 2D y 3D sin contacto (GOM, 2013). Analiza, calcula y registra deformaciones. ARAMIS reconoce la forma de la superficie del objeto de medición en imágenes de cámaras digitales y asigna coordenadas a los píxeles de la imagen. La primera imagen en el proyecto de medición representa el estado no deformado del objeto. Durante la deformación de la probeta, se registran más imágenes. Entonces, ARAMIS compara las imágenes digitales y calcula el desplazamiento y la deformación de los objetos característicos. Si la probeta a medir tiene sólo unos pocos objetos característicos, como es el caso de superficies homogéneas, es necesario preparar dichas superficies por medio de métodos adecuados por ejemplo, aplicando un patrón estocástico como puede ser por pintura de aerosol negra sobre fondo blanco (Figura 25) Figura 25: Patrón estocástico 42

43 ARAMIS es especialmente adecuado para mediciones de deformación tridimensionales bajo carga estática y dinámica con el fin de analizar las deformaciones y la tensión de componentes reales. El principio fundamental de ARAMIS está basado en el hecho de que la distribución de valores de escala de grises en un área rectangular o faceta en el estado indeformado se corresponde con los valores de escala de grises de la misma área en el estado deformado. Figura 26: Facetas antes y después de la deformación En general, la unidad sensora de ARAMIS (Figura 27) es operada desde un soporte con el fin de posicionar de manera óptima el sensor con respecto a la muestra. Para una configuración de medición 3D, se utilizan dos cámaras (configuración estéreo, Figura 28) que se calibran antes de medir. Figura 27: Unidad sensora de ARAMIS 43

44 Figura 28: Imagen estéreo de la probeta La probeta a medir debe estar dentro del volumen de medición resultante (espacio calibrado 3D). Después de crear el proyecto de medición en el software, las imágenes se graban en diversas etapas de carga. Después, se define el área a ser evaluada (computation mask) y se determina un punto de inicio y se calcula el proyecto de medición. Durante los cálculos, ARAMIS observa la deformación de la muestra a través de las imágenes por medio de diversos detalles de la imagen de forma cuadrada o rectangular (facetas). La Figura 29 muestra facetas de 15x15 píxeles con un área superpuesta de 2 píxeles en la etapa 0. Figura 29: Representación de las facetas y la superposición En las diferentes etapas de carga, las facetas son identificadas y rastreadas por medio de las estructuras individuales de niveles de grises. El sistema determina las coordenadas 2D de las esquinas de las facetas y los centros resultantes. Utilizando métodos fotogramétricos, las coordenadas 2D de una faceta observada por la cámara izquierda y las coordenadas 2D de la misma faceta observada desde la cámara de la derecha, conduce a una coordenada común 3D. Después de un cálculo exitoso, los datos pueden someterse a un procedimiento de postprocesamiento a fin de, por ejemplo, reducir el ruido de la medición o suprimir otras perturbaciones locales. El resultado de la medición está ahora disponible como vista 3D. Todas las representaciones adicionales como datos estadísticos, secciones, informes, etc. se derivan de los mismos. 44

45 2 Desarrollo experimental La metodología seguida para obtener los límites de conformabilidad por SPIF y el diagrama del límite de conformado para el AISI 304 se exponen en esta sección. Se describen tres partes: primero, la captura y procesamiento de imágenes con ARGUS de una serie de probetas deformadas por SIPF a fin de obtener y analizar los límites de conformado por este proceso. Segundo, la obtención del diagrama de límite de conformado realizando ensayos tipo Nakazima y midiendo las deformaciones por el sistema óptico ARAMIS. Y tercero, la determinación de las deformaciones principales en fractura, a partir de la medida en la reducción del espesor tanto por SPIF como de los ensayos Nakazima. 2.1 Deformaciones límite por deformación incremental Ensayos en SPIF El análisis de las deformaciones límite se han realizado sobre una serie de ensayos de SPIF en chapas de acero AISI 304 de 0.8mm de espesor. Estos se realizaron en una máquina de fresado de tres ejes Kondia HS1000. Son parte del trabajo presentado en Centeno et al. (2011) y se desarrollaron para determinar la conformabilidad bajo distintos niveles de flexión. Como se observa en la Figura 30, la configuración experimental para pruebas de SPIF incluyen una placa de sujeción (clamping plate), una placa de apoyo (backing plate) con un agujero circular de 75 mm de diámetro, cuatro soportes (supports) y una placa de fondo (bottom plate). 45

46 Figura 30: Dispositivo experimental SPIF montado en una fresadora CNC Kondia Los recortes del material tenían dimensiones de 150 x 150 mm, siendo el área de trabajo efectiva 120x120 mm. La geometría utilizada en este trabajo fue un tronco cónico con generatriz circular. El diámetro inicial del tronco de cono se estableció en 70 mm, siendo el ángulo de formación inicial de 20 º y el radio generatriz 40 mm. Los diámetros de herramientas utilizadas fueron de 6, 10 y 20 mm, siendo el paso en profundidad ajustado a 0.2 y 0.5 mm para cada caso. La rotación de la herramienta se tomó libre y a 1000 rpm. La velocidad de avance utilizado para todas las pruebas fue ajustada a 3000 mm/min., utilizándose lubricante (Houghton TD-52) para aplicaciones de laminación de metales La Tabla 1 muestra los ensayos considerados para medir los límites de deformación. Los parámetros de importancia son: Diámetro de la herramienta D h, paso en profundidad Δ z y velocidad de giro de la herramienta S. El ensayo se ejecutó hasta el instante en el que el fallo se había presentado 46

47 ENSAYO D h mm Δ z (mm/pass) S rpm Final depth (mm) Final angle (º) , Tabla 1: Parámetros de ensayos del SPIF Captura de imágenes Antes de nada, se debe proceder con la adquisición de fotos de la probeta, las cuales serán utilizadas para generar el mallado virtual sobre la pieza. En un primer momento, merece la pena emplear un tiempo en realizar varias pruebas tomando fotos de la pieza sin colocar los patrones, con el objetivo de verificar que se tiene un buen contraste y diferenciación entre las elipses del patrón marcado en la probeta y el material de esta, ya que tras deformarse el material, estos puntos del mallado se difuminan y en ocasiones resulta bastante complejo fotografiarlos correctamente. El procedimiento de captura de imágenes se realizó con una cámara NIKON D300S (4288x2848 pixeles de resolución) instalada en un trípode. El enfoque se fijó entre unos 250 y 320 mm desde el lente de la cámara hasta la superficie de la pared del cono de la probeta, colocando los patrones de escalas negro/blanco (coded marks) y todo el conjunto montado sobre un plato giratorio (Figura 31). Para el primer y segundo ángulo de la cámara se tomaron aproximadamente 40 fotografías y unas 10 para la vista superior con intervalos de giro del plato. Es importante mencionar que se debe tener cuidado en todo momento de que las escalas nunca se muevan con respecto a la probeta. De suceder, hay que repetir todo el proceso de captura de imágenes. 47

48 No es necesario comprobar cada una de las fotografías que se realizan, pero si las primeras de cada nivel, de esta forma se podrá evitar el tener que volver a realizar toda la toma de fotos de un nivel en caso de no haber tomado un buen enfoque de la probeta con la cámara. 90º 60º 30º Figura 31: Elemento dispuesto previo a la medición con ARGUS Procesamiento de imágenes con ARGUS En primer lugar, se debe proceder a la creación del proyecto y seleccionar la distancia entre puntos del mallado (en este caso 2 mm), así como la lente de la cámara utilizada. A continuación, se seleccionará las escalas correspondientes al material y tipo de mallado, ya sea tipo negro sobre gris (las que se han utilizado en estos ensayos) o blanco sobre negro. Por último, se seleccionarán los ajustes relacionados con la precisión requerida y requisitos de identificación de elipses en las fotografías. Para evitar una sobre-identificación de elipses por parte de ARGUS, se tomará como diámetro mínimo de elipse un tamaño de dos pixeles. El procesamiento del conjunto de imágenes se lleva cabo con el sistema óptico ARGUS. Como se explicó previamente, éste reconoce los centros de las elipses que se han formado a partir del patrón de círculos y su posición en el espacio, lo que permite generar una malla de puntos sobre la superficie en el estado deformado de la probeta. Es importante en este paso cerrar la malla e interpolar las zonas que no fueron procesadas, principalmente donde se ha dado el fallo. A la hora de comenzar con la creación del mallado a partir de las fotos tomadas, se deberá tener en cuenta las siguientes recomendaciones: 48

49 - Intentar siempre generar el mallado automáticamente seleccionando un punto (a ser posible uno donde la elipse haya sido reconocida correctamente por el programa). En caso de no conseguir resultados, volver a intentarlo mediante el mallado a cuatro puntos. Cabe destacar en este apartado, que se darán situaciones en que se tengan bien definidos los puntos vecinos sobre los que se quieren realizar parte del mallado y que éste no pueda realizarse automáticamente y que tampoco se obtengan resultados mallando a cuatro puntos. Es importante saber que la selección del primer punto del mallado a cuatro puntos es fundamental y dependiendo de cual se seleccione en primer lugar, se conseguirá crear la malla a su alrededor o no. También se dan casos en los que, a pesar de no tener elipses claramente identificadas pero si un punto sobre éstas, al utilizarlos para mallar el programa logra identificar la elipse (aunque no cree el mallado). En estos casos es recomendable eliminar el mallado obtenido y volver a intentarlo (esta vez ya con la elipse identificada) - Tratar siempre de ir mallando desde la base de la pieza hacia arriba. Si se realiza el mallado tanto por arriba como por abajo al mismo tiempo, puede darse el caso de que el programa (por falta de puntos definidos), enlace ambos mallados saltándose esos puntos intermedio o generando mallados ilógicos. - A veces, el programa realiza mallados generando puntos de elipses donde no los hay o con mucha desviación con respecto al centro de la elipse. Merece la pena en estos casos no utilizar estos mallados, ya que inducirá a errores posteriores en sus puntos vecinos a la hora de mallar. Lo recomendable es anotar el número de foto y continuar intentado mallar con otros puntos y al final (si no se consigue mallar en esa zona con otras fotos y puntos) volver a dicha foto y utilizar el mallado. Recordemos que se dispondrá de muchas fotografías, y un punto que no esté bien identificado en una, puede estarlo en las siguientes, consiguiendo así mejores mallados o evitando errores en éste. - A la hora de auto-combinar las mallas, se debe tener especial cuidado en no utilizar mallas incompatibles o con errores de mallado, puesto que una vez las combinemos no podremos deshacer esto. Si tras estos pasos no se consigue cerrar el mallado, siempre se podrán añadir nuevas fotos de aquellas zonas donde no se haya podido identificar bien las elipses. Es recomendable analizar bien qué zonas son las más conflictivas, tratar de añadir fotos de esa parte en específico y volver a realizar la operación de mallado. Por ello, es aconsejable no mover los patrones de escalas hasta saber con seguridad que se dispone de fotos válidas para completar el mallado. De 49

50 lo contrario, será necesario volver a realizar de nuevo todo el proceso de adquisición de fotos sin poder utilizar las fotografías obtenidas anteriormente. A continuación, se mostrarán una serie de fotografías tomadas del procesamiento y creación del mallado de ARGUS donde se pueden observar los errores y problemas antes descritos: Figura 32: Problemas frecuentes ARGUS Deformaciones límite Con la información contendida en la superficie generada se puede obtener, entre otros valores, las deformaciones mayor y menor del estado plano en puntos cercanos a la zona de fallo. Se crean 3 secciones separadas entre sí 2mm (tamaño más pequeño de la malla) que cruzan esta zona desde el centro de la parte más alta del cono hasta una zona más baja donde las deformaciones tengan un valor reducido (Figura 33) 50

51 Figura 33: Deformación mayor en secciones medida por ARGUS La distribución de las deformaciones mayor y menor a lo largo de cada sección se puede representar como se indica en la Figura 34. El punto máximo de deformación en la dirección 1 corresponde al valor en fractura. Este valor es representativo debido a que el método en si es discreto y que depende del tamaño del patrón de círculos (Marciniak et al., 2002). ε 1 ε 2 Figura 34: Deformaciones principales en una sección central Al representar las deformaciones principales de las tres secciones, se obtiene su evolución hasta sus valores máximos. La Figura representa las deformaciones principales mayor y menor para el caso de: =20, Δz = 0.5mm y S = 1000rpm. 51

52 Deformación mayor [log] Análisis experimental de deformaciones límites en chapas de acero AISI 304 en conformado incremental 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 Deformación menor [log] Figura 35: Evolución de las deformaciones principales en SPIF 2.2 Obtención del Diagrama de límite de conformado Equipo para la experimentación La máquina de ensayos requerida debe ser capaz de sujetar las chapas, ejercer una fuerza para deformarla y tener control sobre la velocidad de avance. En muchos casos se utiliza una prensa común y se acondicionan matrices para poder realizar los ensayos. El equipo utilizado en la experimentación es una máquina de ensayos de embutición universal ERICHSEN (Figura 36). Sus características técnicas se describen de la Tabla 2. 52

53 Figura 36: Máquina de ensayos de embutición universal La máquina cuenta con tres canales de medición analógicos los cuales permiten obtener los datos de fuerza y desplazamiento del punzón, y controlar la fuerza de sujeción del prensa chapa durante el ensayo. Además se puede tomar estas señales y sincronizarlas con las fotografías tomadas por el sistema de correlación de imágenes digitales ARAMIS, para poder relacionar estas medidas con las deformaciones de cada fotografía. Máquina de embutición Marca Erichsen Modelo Rango de Velocidad para los ensayos mm/min Fuerza máxima del punzón 210 KN Desplazamiento máximo del punzón 80 mm Fuerza máxima de sujeción del prensa chapas 100 KN No. de canales de medición analógicos 3 Tabla 2: Características de la máquina de ensayos de embutición 53

54 2.2.2 Preparación de probetas Se han cortado probetas de la chapa de acero AISI 304 con tres geometrías que definen distintos caminos de deformación para el diagrama de límite de conformado. El la Figura se puede comprobar las diferentes dimensiones de estas probetas. Los estados de deformación son en este orden: uniaxial (β = -0.4), deformación plana (β = -0.29) y biaxial (β = 1). Dirección de laminado Figura 37: Probetas para los estados: uniaxial deformación plana y biaxial La preparación consiste en la creación del patrón estocástico en blanco y negro. En la zona de medición de la deformación se ha pintado un fondo blanco, resistente a las altas deformaciones a las que va estar sujeta la chapa. Figura 38: Pintura de fondo para el patrón El patrón estocástico se crea con un fino rociado de aerosol de color negro mate sobre el fondo blanco que previamente se ha secado. Según el nivel de deformación esperado, se deberá elegir la intensidad del color negro sobre el blanco 54

55 Figura 39: patrón estocástico sobre las probetas El ensayo tipo Nakazima utiliza un punzón de diámetro 100mm que deforma el material (el cual ha sido colocado entre la matriz y el prensa-chapa) al ascender. Este tiene un movimiento ascendente y su velocidad ha sido establecida en 3.5mm/s Prensa-chapa Punzón Figura 40: Punzón A fin de reducir lo máximo el efecto del rozamiento entre el punzón y la chapa, se utiliza como medio lubricante vaselina-teflón(ptfe)-vaselina. La probeta se coloca centrada en el dispositivo de sujeción y cierre. 55

56 Figura 41: Probetas ensayadas Mediciones con ARAMIS Las deformaciones medidas con el sistema ARAMIS permiten determinar entre otros valores las deformaciones principales en la fractura ε 1f y ε 2f en un instante muy cercano al de fractura. La deformación ε 3f se deduce por el criterio de conservación de volumen. Los puntos representados como los de la Figura son los valores de deformación en secciones perpendiculares a la fractura, separadas entre sí 2mm, sobre una longitud igual o mayor a 30mm (Figura 42). Figura 42: Medida de la deformación mayor en secciones 56

57 La sección central pasa por el punto de mayor reducción de espesor donde se inicia la fractura (Figura ). Con la aplicación de la metodología ISO :2008, se establecen los puntos de estricción: ε 1n, ε 2n, y ε 3n. Los valores mostrados en la Figura 44, son el promedio de los resultados en cada sección. Figura 43: Reducción máxima del espesor ε 1 ε 2 Figura 44: Deformaciones principales para una sección 2.3 Determinación de deformaciones en fractura vía reducción del espesor El procedimiento para encontrar los puntos en FFL se basa la medición de la reducción del espesor t f en la zona de fractura. La deformación logarítmica se calcula teniendo en cuenta su espesor inicial t 0 57

58 t f 3 f ln t 0 Considerando que la variación de la deformación menor después de la estricción es muy próxima a cero, se estima que este valor es aproximadamente el que le corresponde en fractura, es decir ε 2f ε 2n. Este principio se esquematiza en la Error! No se encuentra el origen de la referencia. Figura 45: Estimación de deformación en la fractura Por conservación de volumen ε 1 + ε 2 + ε 3 = 0, para cualquier estado de deformaciones, se determina finalmente el valor de ε 1f con la ecuación 1 f 2n 3 f Este procedimiento se aplica tanto a las probetas en SPIF como las que han fallado en los ensayos Nakazima Puntos de fractura en SPIF Para seguir el procedimiento indicado en el punto 2.3, las probetas del SPIF se cortan por la mitad, atravesando el punto donde es perceptible que se inició la fractura (Figura 46). El valor de ε 3, se determinan a partir de la medida de reducción del espesor en los cuatro bordes de la grieta de cada lado formado al seccionar la probeta. 58

59 A.1 A.2 Figura 46: Bordes en la zona de fractura, lado A Tras la realización de los ensayos con diámetro de herramienta de 6 mm, se procede a analizar al microscopio las zonas de iniciación y de fin de crecimiento de la grieta para el caso de la probeta número 28 [Δz=0.5 mm, φ=6 mm], para poder determinar con exactitud el comportamiento del material en las cercanias de estas zonas. Figura 47: Zona inicio y fin de crecimiento de grieta probeta nº28 cara-a En la zona de iniciación de crecimiento de la grieta, puede observarse un necking incipiente, además de una gran reducción de espesor con respecto a su valor inicial. Además, puede comtemplarse una clara indentación de la herramienta en las últimas etapas de pasada. 59

60 En este caso, la fotografía de la cara B2 se correspondería con la fotografía de la cara-a2, es decir, con la zona de fractura. De igual forma, la fotografía de la cara B1 se corresponde con la zona de necking incipiente (fotografía de la cara A1). Figura 48: Zona inicio y fin de crecimiento de grieta probeta nº28 cara-b A continuación, se procede a medir los espesores de la probeta en las zonas cercanas a la zona de fallo, para así poder determinar los valores de los puntos de necking y fractura. Estos espesores se medirán individualmente para cada borde como se muestra en la Figura 49. Figura 49: Medida del espesor en una sección perpendicular 60

61 De los ensayos realizados con diámetro de herramienta de 6 mm, se analizaron también las distintas evoluciones de las grietas antes las distintas condiciones de carga, obteniéndose así: Figura 50: Evolución de las Grietas Se puede observar que, conforme se va reduciendo el step down de la herramienta, se consigue concentrar las deformaciones por niveles más próximos entre si (ya que la penetración por pasada es menor), lo que permite una distribución de las deformaciones más uniforme, progresiva y menos abrupta. De esta forma, a mayor step down la rotura es más agresiva, con unas longitudes más cortas, como se observa en las evoluciones de las grietas. Con respecto a las evoluciones de las grietas, puede comprobarse que todas crecen en un mismo sentido, a exepción de la probeta 27, cuyo crecimiento se desarrolla en sentido opuesto a las demás. Eso es debido a que el instante en que se origina la grieta, y su posterior crecimiento, la herramienta se encuentra en el siguiente nivel de profundidad de pasada que las demás, creciendo por tanto la grieta en sentido opuesto. 61

62 El funcionamiento de la herramienta de ensayo se esquematiza en la Figura 51, para poder entender más claramente el motivo de la evolución en sentido opuesto de la probeta 27: Figura 51: Funcionamiento herramienta En estos ensayos, el recorrido de la punta de la herramienta está programado manualmente en código ISO e implementado en la máquina de ensayo. Es decir, el recorrido de la punta de la herramienta es exactamente el mismo para todos los ensayos, variando únicamente el diámetro de la herramienta utilizada. Debido a esto, la geometría final de las piezas ensayadas con distintos diámetros no es la misma, produciendo mayores variaciones a medida que se aumenta el diámetro. A mayor diámetro de la herramienta de ensayo se obtendrá, en la cara exterior de la pieza ensayada, un comportamiento más biaxial que con diámetros menores. De igual forma, para 62