CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN EQUIPO PARA PRUEBAS DE EMBUTICIÓN DE LÁMINAS METÁLICAS TIPO ERICHSEN” PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO FRANCISCO XAVIER CABRERA LOZA DARÍO ABEL CISNEROS FIGUEROA DIRECTOR: ING. HERNÁN OJEDA CODIRECTOR: ING. BORYS CULQUI Sangolquí, 26 DE JULIO DE 2012

Dedicatoria y Agradecimientos Agradezco a Dios por haberme otorgado una familia maravillosa, quienes han creído en mí siempre, dándome ejemplo de superación, humildad y sacrificio; enseñándome a valorar todo lo que tengo. A todos ellos dedico el presente trabajo, porque han fomentado en mí, el deseo de superación y de triunfo en la vida. Lo que ha contribuido a la consecución de este logro. Espero contar siempre con su valioso e incondicional apoyo. FRANCISCO

Dedico este proyecto a mis padres y hermano, quienes me brindaron su confianza y apoyo absoluto a lo largo de mi vida y de mi carrera. Agradezco a mi familia y mi novia por el aliento que supieron transmitirme durante el proceso del presente proyecto. También agradezco a la Carrera de Ingeniería Mecánica y todos los profesionales que la conforman, por todos los conocimientos impartidos, en especial a nuestros directores de tesis por sus consejos y recomendaciones. DARIO

OBJETIVO GENERAL Determinar el grado de Embutibilidad de láminas metálicas utilizadas en la industria metalmecánica en procesos de embutición, a través de ensayos normalizados tipo Erichsen.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS Diseñar y construir un equipo tipo Erichsen. Realizar una serie de ensayos normalizados en distintos tipos de láminas metálicas. Desarrollar procedimientos estandarizados para ejecutar el ensayo Erichsen. Simular el comportamiento de las láminas metálicas ensayadas mediante un software CAE.

Embutibilidad: Característica que determina la resistencia de un material a ser embutido y está relacionado directamente con su ductilidad.

Embutición: Transformar una lámina metálica plana en un cuerpo cóncavo.

Determinación de los Desarrollos = Recipiente Cilíndrico:

Recipiente Semiesférico: =

Fuerza del Punzón para Embutir La fuerza ejercida por el punzón en una embutición depende de:  Diámetro del Punzón  Diámetro del desarrollo del disco inicial  Espesor de la lámina metálica  Resistencia de la lámina a la tracción Donde: P = Fuerza necesaria para embutir (Kgf) d = Diámetro del punzón (mm) sc = Espesor de la lámina (mm) K ct = Resistencia de la lámina a la tracción (Kgf/mm 2 ). D = Diámetro del desarrollo del disco (mm).

MATERIAL DE LA LÁMINA METÁLICA Resistencia de la lámina a la tracción (K ct ) Kg/mm 2 Acero A3640 Acero inoxidable70 Cobre30 Aluminio17 Duraluminio45 Acero dulce36 Bronce45 Latón33 Zinc20 Plata24 Resistencia a la Tracción de Láminas de Embutición

Fuerza de Sujeción de la Lámina Metálica La fuerza que ejerce el pisador sobre la lámina, tiene mucha importancia ya que una fuerza muy baja produce arrugas en los bordes de la lámina y una fuerza muy alta produce un excesivo alargamiento de las fibras. Donde: F suj : Fuerza de sujeción de la lámina (Kgf). D = Diámetro del disco de la lámina metálica en contacto con los dados (mm). dm = Diámetro externo de la pieza embutida (mm) p: Presión específica unitaria del pisador (Kg/cm 2 ).

MATERIAL Presión Unitaria del Pisador Kg/cm 2 MN/m 2 Acero Estaño (blanco) Plata (nueva) Bronce Cobre Latón Zinc Aluminio Presión Específica Unitaria del Pisador para Diferentes Materiales

Defectos al Embutir Formación de Arrugas

Estiramiento Excesivo

Punzón Descentrado

Inclinación del Punzón

Desgarros del Fondo en Todo su Perímetro

Ensayo ERICHSEN  Usado para evaluar la embutibilidad de láminas de material metálico.  Se realiza una embutición mediante un punzón de forma y dimensiones prefijadas.  El ensayo termina el momento que la lámina se fracture o se agriete.  La profundidad de la embutición en mm recibe el nombre de índice Erichsen (I.E.) y expresa la aptitud de la lámina para ser embutida.

Relación entre Ductilidad y el I.E.

Baja Ductilidad al Embutido Embutición Simple: Una sola fase, sin pisador, piezas con poca profundidad.

Límite de Altura en Embutición Simple

Mediana Ductilidad Embutición Doble Efecto: Una sola fase, con pisador, piezas con mayor profundidad.

Límite de Altura en Embutición de Doble Efecto

Alta Ductilidad al Embutido Profundo Embutición Profunda: Varias fases, con pisador, piezas con gran profundidad.

Estándar ASTM E  No debe existir ningún movimiento de la lámina bajo la acción de la fuerza de sujeción.  Se ensaya la lámina hasta que esta se fracture o la carga de embutición caiga.  El Índice Erichsen debe ser medido dentro de por lo menos ± 0.05 mm.  La prueba se aplica a láminas entre 0.2 y 2 mm de espesor.

 Las superficies de contacto con la lámina del dado superior (pisador), dado inferior y punzón deben ser rectificadas.  El punzón debe tener cabeza esférica y una dureza de 62 HRC.  La superficie de contacto de los dados con la lámina debe tener una dureza de 56 HRC.  Un mínimo de 3 pruebas deben ser realizadas para cada material.

 Las probetas de prueba pueden ser circulares o cuadradas (mínimo 90 mm).  Se debe lubricar solamente la cabeza esférica del punzón.  La rotura de la lámina debe ocurrir en la región superior de la copa formada.  El I.E. se debe medir desde el momento en que el punzón hace contacto con la lámina.

Parámetros de Operación para el Diseño del Equipo Erichsen Una vez analizado el procedimiento del ensayo tipo Erichsen bajo las condiciones de la norma ASTM E643-09, es claro que existen 3 principales parámetros del equipo a diseñar y son:  Fuerza de Embutición.  Fuerza de Sujeción.  Medición del índice Erichsen.

Fuerza de Embutición:

Fuerza de Sujeción:

Medición del Índice Erichsen:  Pie de rey (0.05mm) debidamente instalado en el punzón.  Sistema de encerado.  Caída de carga en manómetro acoplado al sistema de embutición.

EQUIPO ERICHSEN

Análisis de Resultados Probetas:

Análisis Acero ASTM A36

Análisis Acero Inoxidable AISI 304

Análisis Aluminio 3003

Análisis Acero Galvanizado

Análisis Láminas Metálicas

Simulación de Lámina Embutida

Lámina Simulada

Resultados Simulación

Análisis Económico y Financiero Inversión Total del Proyecto

Análisis de Producción de Vajilla Militar “FMSB” Costo Unitario de Vajilla:

 Aproximadamente 150 vajillas diarias.  12 láminas de prueba $ * 20 días = $ mensuales $ * 3 meses = $ anuales

Interés anual proyecto = Inversión proyecto * interés bancario anual Interés anual proyecto = 2307 $ * 0.20 Interés anual proyecto = $ La utilidad operativa del equipo Erichsen resulta ser el ahorro que representa la correcta selección del material, para este caso la utilidad operativa son los $.

Conclusiones  Se determinó el grado de embutibilidad de láminas metálicas utilizadas en la industria metalmecánica en procesos de embutición, a través de ensayos tipo Erichsen, cumpliendo de esta forma con el objetivo general del proyecto.  Se diseñó y se construyó un equipo para pruebas de embutición de láminas metálicas tipo Erichsen, cumpliendo con todas las exigencias de la norma ASTM E

 Se realizó una guía estandarizada para ejecutar el procedimiento de ensayos Erichsen.  Se realizó la simulación del comportamiento de las láminas metálicas para comparar los resultados obtenidos experimentalmente con la ayuda del software ANSYS.

Recomendaciones  Una vez determinado el grado de embutibilidad de los distintos tipos de láminas metálicas ensayadas, se recomienda utilizar sus resultados para relacionarlos con la aplicación del producto fabricado.  Se recomienda contar con el equipo Erichsen en las empresas dedicadas a elaborar productos embutidos para evitar gastos innecesarios en materia prima.

 Para obtener resultados aceptables en el momento del ensayo, es necesario cumplir con el orden establecido del procedimiento de la prueba.  Se recomienda utilizar un software capaz de simular el proceso lo más cercano a la realidad, para obtener una mejor referencia en cuanto a los valores experimentales.