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 A continuación la exposición del proyecto de grado previo a la obtención de nuestro título

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 Referente al cantón el Empalme

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 Referente al cantón el Empalme

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. Referente al cantón el Empalme 4

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. Referente al cantón el Empalme 5

Embutibilidad: Característica que determina la resistencia de un material a ser embutido y está relacionado directamente con su ductilidad. Referente al cantón el Empalme 6

Embutición: Transformar una lámina metálica plana en un cuerpo cóncavo. Referente al cantón el Empalme 7

Referente al cantón el Empalme 8

Determinación de los Desarrollos Recipiente Cilíndrico: Referente al cantón el Empalme = 9

Recipiente Semiesférico: = Referente al cantón el Empalme 10

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 Referente al cantón el Empalme Donde: P = Fuerza necesaria para embutir (Kgf) d = Diámetro del punzón (mm) sc = Espesor de la lámina (mm) Kct = Resistencia de la lámina a la tracción (Kgf/mm2). D = Diámetro del desarrollo del disco (mm). 11

Resistencia de la lámina a la tracción Resistencia a la Tracción de Láminas de Embutición MATERIAL DE LA LÁMINA METÁLICA Resistencia de la lámina a la tracción (Kct) Kg/mm2 Acero A36 40 Acero inoxidable 70 Cobre 30 Aluminio 17 Duraluminio 45 Acero dulce 36 Bronce Latón 33 Zinc 20 Plata 24 Referente al cantón el Empalme 12

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. Referente al cantón el Empalme Donde: Fsuj: 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/cm2). 13

Presión Unitaria del Pisador Presión Específica Unitaria del Pisador para Diferentes Materiales MATERIAL Presión Unitaria del Pisador Kg/cm2 MN/m2 Acero 25 2.45 Estaño (blanco) 30 2.94 Plata (nueva) 18 1.76 Bronce Cobre 20 1.96 Latón Zinc 15 1.47 Aluminio Referente al cantón el Empalme 14

Defectos al Embutir Formación de Arrugas Referente al cantón el Empalme 15

Estiramiento Excesivo Referente al cantón el Empalme 16

Punzón Descentrado Referente al cantón el Empalme 17

Inclinación del Punzón Referente al cantón el Empalme 18

Desgarros del Fondo en Todo su Perímetro Referente al cantón el Empalme 19

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. Referente al cantón el Empalme 20

Relación entre Ductilidad y el I.E. Referente al cantón el Empalme 21

Baja Ductilidad al Embutido Embutición Simple: Una sola fase, sin pisador, piezas con poca profundidad. Referente al cantón el Empalme 22

Límite de Altura en Embutición Simple Referente al cantón el Empalme 23

Mediana Ductilidad Embutición Doble Efecto: Una sola fase, con pisador, piezas con mayor profundidad. Referente al cantón el Empalme 24

Límite de Altura en Embutición de Doble Efecto Referente al cantón el Empalme 25

Alta Ductilidad al Embutido Profundo Embutición Profunda: Varias fases, con pisador, piezas con gran profundidad. Referente al cantón el Empalme 26

Referente al cantón el Empalme 27

Estándar ASTM E643-09 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. Referente al cantón el Empalme 28

El punzón debe tener cabeza esférica y una dureza de 62 HRC. 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. Referente al cantón el Empalme 29

Se debe lubricar solamente la cabeza esférica del punzón. 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. Referente al cantón el Empalme 30

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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. Referente al cantón el Empalme 32

Fuerza de Embutición: Referente al cantón el Empalme 33

Fuerza de Sujeción: Referente al cantón el Empalme 34

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. Referente al cantón el Empalme 35

EQUIPO ERICHSEN Referente al cantón el Empalme 36

EQUIPO ERICHSEN Referente al cantón el Empalme 37

Análisis de Resultados Probetas: Referente al cantón el Empalme 38

Análisis Acero ASTM A36 Referente al cantón el Empalme 39

Análisis Acero ASTM A36 Referente al cantón el Empalme 40

Análisis Acero Inoxidable AISI 304 Referente al cantón el Empalme 41

Análisis Acero Inoxidable AISI 304 Referente al cantón el Empalme 42

Análisis Aluminio 3003 Referente al cantón el Empalme 43

Análisis Aluminio 3003 Referente al cantón el Empalme 44

Análisis Acero Galvanizado Referente al cantón el Empalme 45

Análisis Acero Galvanizado Referente al cantón el Empalme 46

Análisis Láminas Metálicas Referente al cantón el Empalme 47

Simulación de Lámina Embutida Referente al cantón el Empalme 48

Lámina Simulada Referente al cantón el Empalme 49

Resultados Simulación Referente al cantón el Empalme 50

Análisis Económico y Financiero Inversión Total del Proyecto Referente al cantón el Empalme 51

Análisis de Producción de Vajilla Militar “FMSB” Costo Unitario de Vajilla: Referente al cantón el Empalme 52

Aproximadamente 150 vajillas diarias. 12 láminas de prueba. Referente al cantón el Empalme 75.48 $ * 20 días = 1509.6 $ mensuales 1509.6 $ * 3 meses = 4528.8 $ anuales 53

Interés anual proyecto = 2307 $ * 0.20 Interés anual proyecto = Inversión proyecto * interés bancario anual Interés anual proyecto = 2307 $ * 0.20 Interés anual proyecto = 461.4 $ 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 4528.8$. Referente al cantón el Empalme 54

Referente al cantón el Empalme 55

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 E643-09. Referente al cantón el Empalme 56

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. Referente al cantón el Empalme 57

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. Referente al cantón el Empalme 58

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. Referente al cantón el Empalme 59

MUCHAS GRACIAS Referente al cantón el Empalme 60