Diseño de Herramientas de Forja en Frio y Caliente Auxiliados por ...

Desarrollo de Herramientas de
Forja en frío y caliente
auxiliadas por simulación de
procesos
Diseño y Desarrollo de Forjas
El diseño y desarrollo de forjas ha estado basado en experiencia y
procedimientos de “prueba y error”
Toma muchos años poder desarrollar la experiencia.
Las pruebas de taller (pilotajes) son simplemente muy lentas.
Los mercados están cambiando más rápido que es difícil para la mayoría
de las compañías mantener el paso.
Las partes forjadas en caliente con volumenes grandes o con alto valor
se ven afectadas constantemente por presiones de mejora.
La simulación de procesos es una herramienta para ayudar a las
compañías a desarrollar y optimizar sus procesos más rápido que por
métodos tradicionales.
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Componentes Automotrices
Componentes Automotrices
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1.4
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1.6

DILEMAS
¿Por qué simulación
¿Cómo Innovar con mayor rapidez que el
competidor
¿Cómo Aprender con mayor rapidez lo que el
competidor ya sabe
¿Cómo Implementar procesos más rápido y a
menor costo
¿Cómo Recurso humano para innovación México
=Licenciatura+ Maestría vs. Países Desarrollados =
Maestría + Doctorado
¿Cómo Sobresalir con las limitaciones en
infrae$tructura y recur$o$ para Investigación de
desarrollo
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Porque antes de liberar una secuencia para producción se invierte una
cantidad considerable de tiempo y recursos.
DEFORM provee un panorama dentro de los procesos potenciales que
pueden influenciar el diseño antes de que ocurran los problemas.
En un mundo con presiones crecientes en costo y tiempo de respuesta,
la simulación se puede usar para desarrollar procesos óptimos con
menos pruebas de taller en menos tiempo.
DEFORM provee información que nunca estará disponible en el piso.
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Aplicaciones Industriales
Desarrollo de un simulador
de manufactura integrado
Desarrollo de la forma de la forja y de las preformas o previas.
Predecir llenado o falta de llenado de cavidad
Predecir y optimizar la fuerza y energía requerida por el proceso.
Predecir y entender defectos
Predecir flujo de grano
Diseño de herramienta y análisis
Evolución de microestructura durante el formado
Producción de
materia prima
Forja
Tratamiento
Térmico
Analizar el proceso de manufactura a partir del material y hasta el
producto final.
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Ensambles
mecánicos
Distorsión en
maquinado y
esfuerzos residuales
Maquinado
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Panorama de los usuarios
Forja en Frío de Aluminio
Llenado
Pliegues
Diseñador Ingeniero Analista Investigador
Durante al fase de cotización de una parte forjada en aluminio, había un
cuestionamiento sobre un proceso con una o dos operaciones.
Cuando se simuló el procesos con una operación, se predijo la aparición
de un defecto de rechupe (antes de fabricar herramentales).
Rebaba
Una prueba piloto en campo validó los resultados.
Fuerza
Falla de Herramienta
Fracturas en la Forja
Esfuerzos residuales
Tratamiento térmico
Distorsión en maquinado
Microstructura
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Courtesy of JLO Metal Products
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Forja en Frío de Aluminio
Forja en Frío de Aluminio
Forja de aluminio en frío- observe el defecto de rechupe al
final de la carrera – se encontró en la etapa de cotización
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Forja en Frío de Aluminio- defecto visible en una
prueba de validación inicial.
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Fractura de Punzón
Fractura de Punzón
Un punzón se fractura prematuramente (2,000 - 3,000 pcs.) en la
fabricación de un blanco en tibio
El modo de falla es fatiga de bajos ciclos (LCF).
Existen esfuerzos de tensión cerca de la fractura
Cambios sutiles en el diseño redujeron los esfuerzos de tensión
La vida de herramienta se aumentó a 40,000 a 50,000 partes sin
fractura
courtesy of OSU/ERC
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Fractura de Punzón
Fractura de Punzón
La causa raiz son
los esfuerzos de
tensión en la
esquina del
punzón formando
una “bisagra”
elástica.
Diseño Original
Punzón Rediseñado
Diseño Original
Punzón Rediseñado
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Forja en caliente de “T” de acero
inoxidable
Forja en caliente de “T” de acero
inoxidable
EL forjado de una “T” de acero inoxidable 300 se simuló con los
procesos de preformado y finalizado.
Se observó la formación de un pliegue, que se acercó mucho a los
resultados observados en producción.
El proceso se cambió a un proceso de aplastado, preformado y
finalizado sin cambiar los herramentales ni el tamaño de la materia
prima.
Los esfuerzos en las herramientas se muestran en el fondo del
herramental de preformado al momento de la máxima carga.
Operación de Preformado- observe el pliegue
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Forja en caliente de “T” de acero
inoxidable
Forja en caliente de “T” de acero
inoxidable
Un análisis de esfuerzos muestra los contornos de esfuerzos efectivos
en el dado inferior (izquierda – rojo es lo más alto) En la derecha
los esfuerzos principales (rojo es en tensión y verde es en
compresión como se muestra en la vista de sección.
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Forja antes de remover rebaba
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Formado Orbital
Forjado por laminación
El movimiento del dado durante el
formado orbital incluye una
translación lineal y una rotación
fuera de centro.
El proceso permite producir
geometrías complejas reduciendo
del riesgo de flexión de columna.
DEFORM-3D provee un control
de movimientos complejo que
permite una grado de translación y
dos grados de rotación.
Los puntos azules y verdes ilustran
los contactos.
Se han desarrollado prensas de
forja en caliente para combinar
la traslación del dado con el
laminado fuera de centro.
Las aplicaciónes incluyen
ruedas de ferrocarril, bridas y
discos.
El proceso permite forjar partes
muy grades en prensas
pequeñas con tiempos de
contacto reducidos.
DEFORM-3D provee los
movimientos para simular este
proceso.
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Forja en martillo – acoplada con
dados elásticos
Forja de engrane cónico y tratamiento
térmico
Simulando la operación de
forja con la energía de un
martillo se había
demostrado con DEFORM
desde 1989.
acoplamiento de las
herramientas como
objetos elásticos refina el
modelo en términos de las
pérdidas elásticas. .
Se muestran también los
esfuerzos en las
herramientas
especialmente en la zona
de rebaba.
Un engrane cónico de acero es forjado y tratado termicamente.
La animación muestra los resultados:
– forjado
– Contornos de temperatura durante el templado
– Contornos de microestructura durante el templado
La microestructura en el superficie es martensita.
El centro consiste de bainita y perlita.
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Yugo forjado en caliente
Forjado en caliente de yugo
Un aplicación común de diform es el análisis del tamaño de
trozo, diámetro, longitud y posición.
Un yugo forjado en caliente (plantilla – 3 parts) se forja en
una prensa mecánica en un solo golpe
Se probaron tres tamaños de trozo antes de ordenar el
material para producción. .
Este ejemplo es cortesia de American Axle and
Manufacturing - Tonawanda.
Un tocho con diámetro grande llenó los dados sin
problema pero la rebaba era excesiva.
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Forjado en caliente de yugo
Desgaste de herramienta en la
forja de una masa
Al forjar con precisión de una masa se experimentaba un
desgaste excesivo en la segunda operación
Punzones de la segunda estación (izquierda) y tercera
estación (derecha) se muestran abajo.
El modelo de Archard se utilizó para modelar desgaste.
W
a
b
p v
=
∫ K
c
H
dt
Un trozo de diámetro pequeño no llenó completamente
los dados. La rebaba es marginal en las regiones
verticales.
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Desgaste de herramienta en la
forja de una masa
Desgaste de herramienta en la
forja de una masa
Una preforma de cono se simuló para evaluar el desgaste
en la segunda y tercera operación .
El desgaste en al operación final aumentará debido a más
deformación.
Las ventajas de productividad se proyectaron usando este
proceso debido a la fuerzas de forjado.
Las áreas de alto desgaste en el punzón (izquierda)
correlacionan con el modelo de desgaste en DEFORM (derecha
– rojo es un valor alto). El modelo de desgate de Archard se usó
para esta aplicación de forja en caliente.
Tamaño total del modelo com se muestra~700,000 elementos.
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Desgaste de herramienta en la
forja de una masa
Desgaste de herramienta en la
forja de una masa
Una preforma redonda se simuló con la idea de reducir la
contrirbución de deslizamiento al degaste durante la
operación final.
El desgaste paso a segundo término cuando se predijo la
formación de un pliegue.
Una preforma rediseñada se simuló con la idea de reducir
la contribución de deslizamiento al desgaste – sin pliegue.
El desgaste en el punzón se redujo (Misma escala- left).
La productividad en la prensa será igual al del caso inicial.
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Desgaste de herramienta en la forja de
una masa
Aplicación Avanzada de Microestructura-
diseñador Ingeniero Analista Investigador
costo
tiempo
calidad
innovación
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Deformación efectiva (rojo es el valor más
alto) se muestra a lo largo de una sección
de al final del proceso.
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Resumen
Modelos comerciales se usan rutinariamente para simualar procesos
productivos de formado de metales.
Los procesos de formado son extremadamente complejos.
Se requiere de software muy poderoso para capturar el efecto de todas
las variables.
Para aplicaciones de producción es necesaria una interfase gráfica de
usuario amigable.
Los requerimientos mínimos para correr modelos de simulación son
entendimiento de los fundamentos del proceso y habilidades
computacionales básicas.
Aplicaciones avanzadas e interpretación requieren de un mayor
fundamento analítico .
Desarrollo de Herramientas de
Forja en frío y caliente
auxiliadas por simulación de
procesos
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