Análisis del efecto de la flexión en la conformabilidad de chapas metálicas
- Autores: Domingo Morales-Palma
- Directores de la Tesis: Carpóforo Vallellano Martín (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2011
- Idioma: español
- ISBN: 9788469480151
- Tribunal Calificador de la Tesis: Miguel Ángel Sebastián Pérez (presid.), Mariano Marcos Bárcena (secret.), Javier García Jung (voc.), José Antonio Sánchez Galíndez (voc.), María Henar Miguélez Garrido (voc.)
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- Tesis en acceso abierto en: Idus
- Resumen
En términos generales, el principal factor limitante en los procesos de conformado de chapa es el fallo del material, entendiendo por fallo cualquier evento que inutilice la chapa. Entre los tipos de fallo más comunes se encuentran la estricción localizada y la fractura dúctil, iniciándose uno u otro en función de la ductilidad del material y de las condiciones del proceso. En la práctica, los pun tos críticos donde se origina el fallo del material suelen estar asociados a zonas en las que las herramientas conformadoras presentan una mayor curvatura. En estas situaciones se generan esfuerzos de flexión en dichos puntos críticos, de manera que el fallo se produce bajo un gradiente de tensión/deformación en el espesor de la chapa. En las operaciones donde los esfuerzos predominantes son de tracción, el efecto de este gradiente en la conformabilidad del material ha sido frecuentemente menospreciado debido al espesor relativamente pequeño de las piezas conformadas. Sin embargo, la distribución no homogénea de tensiones y deformaciones en el espesor constituye un factor determinante en el mecanismo de fallo. El objetivo principal de esta tesis es el estudio del efecto de la flexión en el fallo por estricción localizada y fractura dúctil en la conformabilidad de chapa metálica. El trabajo se centra fundamentalmente en el análisis de la evolución de los gradientes de tensión/deformación en el espesor durante el conformado y la influencia de la microestructura del material en el mecanismo de fallo. Para analizar la evolución de tensiones/deformaciones en el material se desarrollan dos modelos analíticos del proceso de conformado de una chapa. En un primer modelo se considera el caso simple de una evolución proporcional de la tensión y deformación durante el conformado. Este modelo reproduce adecuadamente las operaciones de abombamiento mediante hidroconformado (bulge) donde la matriz conformadora tiene una abertura elíptica cuya relación entre semiejes mayor y menor es menor de 1,3. El segundo modelo se diseña para simular la evolución de tensiones/deformaciones en operaciones de estirado o estampación de chapa mediante punzones de forma, usadas habitualmente a nivel industrial. El modelo consiste en dos etapas sucesivas, una de flexión pura hasta que la chapa adquiere la curvatura impuesta por el punzón, seguida de una de tracción pura hasta el fallo del material. A diferencia de otros trabajos, este modelo permite analizar la influencia en el fallo de dos fenómenos observados en la práctica: el efecto dominante de la flexión durante los primeros instantes del estirado con punzón y la consecuente inversión de la deformación que sufre el material en contacto con el punzón, inicialmente acortándose y que pasa a estirarse cuando los esfuerzos de tracción se tornan en dominantes.El fallo por estricción localizada y fractura dúctil se describe mediante un modelo analítico basado en el concepto de volumen crítico de material. El modelo se desarrolla combinando los métodos actuales de predicción del fallo en chapas bajo un gradiente de deformación en el espesor con las ideas que subyacen de las teorías clásicas de Distancias Criticas, originariamente desarrolladas para analizar el comportamiento a fatiga de componentes con entallas. El modelo propuesto postula que la estricción localizada se inicia cuando el material en una cierta distancia crítica desde la cara interna de la chapa no puede resistir por más tiempo la inestabilidad plástica de la sección. De manera similar, el modelo asume que el fallo por fractura dúctil se produce cuando el material en una cierta distancia crítica desde la cara externa de la chapa alcanza el límite de rotura del material. Las distancias críticas en ambos modos de fallo se asumen que dependen de la microestructura del material.Los modelos analíticos desarrollados se contrastan con resultados experimentales publicados en la literatura. Los datos proceden de ensayos de estirado con flexión con punzones cilíndricos de radios comprendidos entre 0,5 y 20 mm. Las chapas ensayadas comprenden aceros, aluminio y latón, de diferentes geometrías y espesores entre 0,69 y 1,5 mm. Para simular la evolución de la deformación y tensión en los ensayos se utiliza el modelo de carga propuesto de flexión-tracción en dos pasos. Las distancias críticas de fallo por estricción localizada y fractura dúctil se estiman a partir de datos experimentales y se comparan con la microestructura de los materiales.Por otro lado, el presente trabajo realiza algunas propuestas de mejoras de herramientas tradicionales para el análisis y predicción de la conformabilidad de chapa. Los diagramas MN o diagramas flector-axil adimensionales, empleados para analizar el fallo en términos de combinaciones de esfuerzos, se modifican sustancialmente al considerar el efecto de la historia de carga y los dos modos de fallo por estricción y fractura. También se proponen las superficies limite de conformado (SLC). Estas graficas son una generalización en 3D de los diagramas limite de conformado (DLC), de uso extendido en la industria para evaluar la conformabilidad del material en términos de deformaciones principales, a los que se les añade un tercer eje que cuantifica el efecto de la flexión mediante la relación espesor/radio del punzón (t0/R).Brevemente, el estudio realizado indica que la estricción localizada y la fractura dúctil son dos modos de fallo independientes, produciéndose uno u otro en función de la severidad del gradiente de tensión/deformación en el espesor de la chapa. Dicha independencia proviene del hecho de que cada mecanismo de fallo está controlado por volúmenes de material distintos, los cuales se relacionan con la microestructura del material, representada aquí por el tamaño medio de grano. Los materiales analizados soportan la idea de que el fallo por estricción y fractura está gobernado por la resistencia a la inestabilidad plástica o a la fractura dúctil, respectivamente, de un volumen critico de material de entre 8 y 10 tamaños de granos situados en la cara interna y externa de la chapa, respectivamente. Los resultados experimentales se describen razonablemente bien con los modelos propuestos.La tesis se estructura en seis capítulos. En el Capitulo 1 se revisan las técnicas y trabajos más relevantes de análisis y predicción de los modos de fallo de chapa más habituales en la práctica: la estricción localizada y la fractura dúctil. También se exponen algunos estudios recientes sobre el efecto de la historia de carga en la conformabilidad del material. En el Capitulo 2 se presentan los trabajos más importantes sobre el efecto de la flexión en la conformabilidad de chapa, así como una revisión de las teorías analíticas del doblado de un material continuo y homogéneo. El Capitulo 3 analiza el comportamiento elasto-plástico de una porción elemental de chapa en un proceso de conformado con esfuerzos combinados de tracción y flexión, proponiéndose dos modelos de carga en tensión plana, uno proporcional y otro no proporcional de flexión-tracción en dos pasos. Asimismo se analiza el efecto de la tensión transversal en el espesor de la chapa. El Capitulo 4 discute el efecto del gradiente de tensión/deformación en el fallo por estricción y fractura, planteándose un modelo para su predicción. En el Capitulo 5 se comparan las predicciones de los modelos propuestos con resultados experimentales publicados en la literatura. Finalmente, el Capitulo 6 resume las conclusiones más destacadas de esta tesis, indicando las posibles extensiones futuras del trabajo desarrollado.
