Análisis de Factura de Punzón para Forja en Frío de Planetario

DEFORM TM Aplicación #203

Análisis de Factura de Punzón

Hay cuatro tipos principales de fallas en los dados de formado. Estos son: 1) fractura catastrófica, 2) deformación plástica, 3) falla por fatiga de bajos ciclos (LCF) y 4) desgaste. Estos tipos generales de fallas pueden detectarse por una gran variedad de síntomas. Se ha encontrado que la simulación de procesos es una herramienta efectiva para el diseño y la detección de problemas en los dados para los diferentes tipos de fallas por deformación plástica y LFC. La simulación también ha mostrado ser efectiva para minimizar el desgaste a través de la reducción de la fuerza de formado.

Las fallas de LCF ocurren típicamente entre 1,000 y 1,000,000 de ciclos en aplicaciones de dados para el formado de metales. Hay cuatro etapas en las fallas de fatiga. Estas son: 1) inicio de la grieta; 2) crecimiento microscópico de la grieta; 3) crecimiento macroscópico de la grieta, y 4) falla catastrófica debido al crecimiento rápido repentino de la grieta. El inicio de la grieta siempre ocurre en una región con esfuerzo principal máximo positivo (en tensión). Generalmente, el nivel de esfuerzo esta por arriba de la resistencia de flexión. No es raro que una grieta inicie en una marca de esmerilado, en una inclusión metálica u otro defecto.

El Problema:

Un punzón utilizado en el formado en frío de engranes cónicos (planetario) se fracturo debido a una falla de fatiga. El dado empezó a fallar después de poco más de mil piezas. La imagen del punzón muestra claramente la fractura clásica asociada con una falla LCF.

El Análisis:

La deformación y los esfuerzos del dado fueron TM analizados utilizando DEFORM . Durante el análisis de deformación, la pieza de trabajo fue tratada como un cuerpo plástico con herramientas rígidas. Durante el análisis de esfuerzos del dado, los dados fueron analizados como cuerpos elásticos utilizando una combinación de carga de las superficies de contacto de la pieza de trabajo y las condiciones especificadas por el usuario.

Punzón con Fractura.

El tipo de análisis fue apropiado para este caso, aunque se pueden realizar simulaciones más sofisticadas. La causa raíz de este problema era una falla de fatiga de bajo ciclo (LCF). Un esfuerzo efectivo de más de 300 ksi se observó en el área de la fractura. El esfuerzo máximo principal indicó una componente de tensión muy grande.

El objetivo de este análisis era identificar la causa raíz de la falla del dado y proveer información para rediseñar inteligentemente el dado o el proceso de manera que se pudiera extender la vida útil de dado. El primer paso es identificar el área de esfuerzo más alto. Si el área de esfuerzo coincide con la fractura, se deben revisar los componentes del esfuerzo y las distribuciones de presión. Los contribuyentes a la falla incluyeron una carga alta, ya que el formado se lleva acabo a temperatura ambiente. Adicionalmente, el hombro plano conduce a un efecto de “articulación elástica”, debido al doblado localizado.

Una gran variedad de nuevos diseños de punzones fueron considerados y analizados. Entre los cambios se contempló el cambiar la cara plana del punzón con una cara angular cónica a 6 grados. El ángulo del cono se cambio de 30 grados a 33.46 grados. El radio del hombro se cambio de 3.0mm a 4.5mm. El nuevo diseño contaba con un hombro plano más pequeño.

Resultados:

El dado rediseñado resultó en una fuerza de formado menor. El nuevo diseño del punzón mostró un nivel de esfuerzo significativamente más bajo, especialmente el esfuerzo efectivo fue menor a través de la base del dado con la menor carga y un rediseño en el área del reborde.
Este diseño de dado fue muy exitoso, con un incremento de vida de servicio en más de un orden de magnitud.

Tres imagines de información de formado

Se muestra el punzón original del lado izquierdo y el diseño modificado a la derecha. El contorno muestra el esfuerzo principal máximo. El área clara es un valor negativo (compresión) y el área oscura es positive (tensión). Note como el esfuerzo de tensión se reduce en al área de fractura.

Información adicional

Este trabajo fue originalmente publicado por Lange, Hetting y Knoerr (Elsevier, Journal of Materials Mater Processing Technology, 1992) cortesía de The Ohio State University – Engineering Research Center for Net Shape Manufacturing.