Título/s: | Simulacion numerica de defectos y de la relacion fuerza / energia en el forjado en caliente de una tuerca petrolera |
Autor/es: | Abate, Germán; Moraes, Alexsandro; Perez, Daniela; Bonnemezón, Alfredo; Martinez Krahmer, Daniel |
Editor: | s.n. |
Palabras clave: | Simulación; Métodos numéricos; Fuerza; Energía; Industria petrolera; Forja |
Idioma: | spa |
Fecha: | 2013 |
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SIMULACION NUMERICA DE DEFECTOS Y DE LA RELACION FUERZA / ENERGIA EN EL FORJADO EN CALIENTE DE UNA TUERCA PETROLERA Conference Paper · October 2013 DOI: 10.13140/2.1.4615.4241 CITATION 1 READS 187 6 authors, including: Some of the authors of this publication are also working on these related projects: FORGING: FRICTION CHARACTERIZATION, LASER SURFACE TEXTURING AND GRAPHITE-BASED LUBRICANTS View project Non conventional machining processes View project Alexsandro Moraes 3 PUBLICATIONS 1 CITATION SEE PROFILE Daniela Perez Instituto Nacional de Tecnologia Industrial 46 PUBLICATIONS 21 CITATIONS SEE PROFILE Daniel Martinez Krahmer Instituto Nacional de Tecnologia Industrial 141 PUBLICATIONS 155 CITATIONS SEE PROFILE German Abate Instituto Nacional de Tecnologia Industrial 58 PUBLICATIONS 83 CITATIONS SEE PROFILE All content following this page was uploaded by Daniel Martinez Krahmer on 20 October 2014. The user has requested enhancement of the downloaded file. SIMULACION NUMERICA DE DEFECTOS Y DE LA RELACION
FUERZA/ENERGIA EN EL FORJADO EN CALIENTE DE UNA TUERCA PETROLERA DE UNIÓN DOBLE Abate, Germán1; Moraes, Alexsandro2; Perez, Daniela1, Bonnemezón, Alfredo3; Martinez Krahmer, Daniel1 1 Centro de Investigación y Desarrollo en Mecánica, Unidad Técnica Máquinas y Herramientas, Instituto Nacional de Tecnología Industrial. E-mail: mkrahmer@inti.gob.ar 2 Technical Consultant of the Simufact Americas LLC, in Brazil. E-mail: alexsandro.moraes@simufact-americas.com 3Asesor Técnico en Procesos de Forjado en Caliente RESUMEN En Argentina, la utilización de sistemas de simulación numérica aplicados a procesos de forjado, podemos afirmar se encuentra en su etapa inicial. Para colaborar en este sentido con el sector industrial involucrado, el Grupo de Forja de INTI-Mecánica, inició sus tareas de capacitación en el empleo de la herramienta Simufact.Forming, en Septiembre de 2012. Con el objeto de mostrar algunas de sus capacidades, se obtuvo por intermedio de la Cámara del Forjado de Argentina (CAFOR), una tuerca de unión doble de 3” de diámetro, de las que habitualmente se usan en la industria petrolera. Esta pieza fue particularmente seleccionada para ser simulada, por cuanto su grado de complejidad geométrica, suele acarrear algunas dificultades durante el proceso de forjado. La pieza en cuestión fue analizada por simulación numérica, considerando como material un acero SAE 1022, y una prensa de tornillo de 1000t-112kJ, con dos objetivos: a) caracterizar los defectos en función del tipo de tocho utilizado (barra redonda o palanquilla con sección cuadrada), y del grado de aplastado inicial (upsetting), y b) evaluar tanto la energía como la fuerza necesarias para el conformado, en cada uno de los experimentos computacionales realizados. Como resultado de las simulaciones con Simufact.Forming, fue por un lado posible establecer los diferentes tipos de defectos resultantes. Mientras que, usando barras redondas, resultaron faltas de llenado en los extremos de los tres salientes de la tuerca, pliegues perimetrales concéntricos con los diámetros en una de las caras de apoyo, y falta de material sobre la cavidad interior, en el caso de las palanquillas, las faltas de llenado fueron significativamente mayores, y particularmente, sobre la pared vertical interna, se ubicaron próximos a la cara de apoyo de la cavidad central más profunda, y en coincidencia con los tres salientes perimetrales. En cuanto a la energía consumida, valor determinante para fijar la cantidad de golpes a dar durante un proceso para cerrar la matriz, los tochos de mayor sección y menor altura, requirieron valores más reducidos para ser conformados. Por el contrario, la fuerza necesaria aumentó conforme se emplearon secciones más grandes, situación que podría conducir a sobrecargar las matrices y la misma máquina. Para finalizar, tanto los valores de energía como de fuerza resultaron influenciados por la sección del material, y no por su geometría (redonda o cuadrada). 1. INTRODUCCIÓN
Cuando se desea desarrollar una pieza, cuyo destino se encuentra directamente relacionado con la seguridad (por citar algunos ejemplos: partes de un motor de avión, componentes de la suspensión de un automóvil, piezas para la industria petrolera), los técnicos e ingenieros que tienen a cargo su diseño y fabricación, considerarán como primera alternativa a utilizar, el proceso de forjado. Las razones de esta elección son múltiples y variadas, como se citan seguidamente. El forjado produce, a igualdad de volumen de una pieza fundida, una resistencia mecánica superior debido al “fibrado” del material. Dicho de otro modo, dada una pieza forjada y otra fundida, para ser usadas en el mismo destino, la forjada se podría fabricar de menor volumen, logrando la misma resistencia. Esta característica genera una ventaja adicional, dado que aplicando el proceso de forja, se produciría un ahorro significativo de material. Además, se obtendrían otras mejoras a saber 1: 1) Una pieza forjada puesta en servicio, posee mayor resistencia mecánica, para soportar las solicitaciones dinámicas o de impacto; 2) El proceso de deformación plástica elimina la porosidad, y ayuda a la homogenización; 3) El forjado reduce el tamaño de grano desde la condición de fundido, incrementando la tenacidad del material. Más allá de lo comentado, la utilización de herramientas de simulación numérica, puede colaborar para desarrollar, sin hacer uso del costoso sistema de prueba y error, un proceso eficiente, tanto en lo que hace a la obtención de piezas de calidad (en forma, tolerancia, y libre de defectos), como también en la correcta utilización del equipo principal de forja, evitando así sobrecargas en el herramental y en la misma máquina. También es factible su empleo para establecer defectos resultantes del proceso 2,3, como también su modo de generación, ayudando a inferir la/las formas de solucionarlos. En tal sentido, en este trabajo, se simuló con Simufact.Forming 4 el proceso de forjado en caliente de una tuerca de unión doble de 3” aportada al Grupo de Forja por la Cámara del Forjado de Argentina CAFOR 5, con dos objetivos: a) caracterizar los defectos en función del tipo de tocho utilizado (barra redonda o palanquilla con sección cuadrada), y del grado de aplastado inicial (upsetting), y b) evaluar tanto la energía como la fuerza necesaria para el conformado en cada uno de los experimentos computacionales realizados. 2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 2.1 Material a conformar La tuerca de unión doble analizada fue fabricada en acero SAE 1022. La composición química nominal de este acero fue la siguiente (% peso): 0,18 a 0,23% C; 0,70 a 1,00% Mn; 0,10 a 0,30% Si; Fe balance. 2.2 Pieza a forjar La tuerca de unión doble de 3” posee las siguientes dimensiones aproximadas: diámetro exterior 157mm; diámetro interior 116mm; y altura 55mm. El peso de la pieza rebabada (recortado tanto el perímetro exterior, como el tejo central), es de unos 6,1kg. En la figura siguiente presentamos una imagen renderizada 3D de la pieza involucrada en el presente trabajo: Figura 1: Imagen renderizada de tuerca de unión doble 2.3 Maquinaria En los procesos de simulación realizados, se consideró como equipo principal de forja una prensa de tornillo obtenida de la librería de equipos del Simufact.Forming, y consensuado el mismo con un especialista de estos procesos. Esta prensa es de 1000t de capacidad nominal, y de 112kJ de energía bruta. Asimismo presenta una velocidad máxima del mazo de 420mm/s, y una eficiencia de 0,9. 2.4 Proceso de conformado Se utilizaron dos tipos de barras: sección redonda y sección cuadrada (palanquilla). Las dimensiones de las mismas corresponden a medidas comerciales producidas por ACINDAR en Argentina 6. Sobre cada una de las barras analizadas, se realizó un aplastado inicial, correspondiente a un porcentaje de la altura inicial, y la forma final se alcanzó efectuando dos golpes dentro de la matriz. En todos los casos evaluados, se empleó un peso de corte de 7,5kg. El detalle de los experimentos realizados por simulación numérica, se indica seguidamente: Experimento Tipo de barra Medida Grado de aplastamiento (%) 1 Palanquilla 76,2 15 2 Palanquilla 76,2 25 3 Palanquilla 76,2 50 4 Palanquilla 86,0 15 5 Palanquilla 101,4 15 6 Redonda 88,9 15 7 Redonda 88,9 25 8 Redonda 88,9 50 9 Redonda 101,6 15 10 Redonda 120,0 15 Tabla 1: Nómina de experimentos realizados Los otros datos de entrada utilizados durante la simulación numérica fueron: Coeficiente de fricción 7: 0,3 para el aplastado inicial y 0,4 para el conformado en matriz. Temperatura de forja: 1200°C Temperatura de precalentamiento de matrices: 180°C. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 Caracterización de defectos En las figuras siguientes se muestran los pliegues resultantes, así como también las faltas de llenado, para cada uno de los experimentos computacionales realizados. Experimento 1: Figura 2: A- Pliegues. B- Faltas de llenado (zonas en azul) Cara superior. C- Faltas de llenado, cara inferior. A B C Experimento 2: Figura 3: A- Pliegues. B- Faltas de llenado (zonas en azul) Cara superior. C- Faltas de llenado, cara inferior. A B C Experimento 3: Figura 4: A- Pliegues. B- Faltas de llenado (zonas en azul) Cara superior. C- Faltas de llenado, cara inferior. A B C Experimento 4: Figura 5: A- Pliegues. B- Faltas de llenado (zonas en azul) Cara superior. C- Faltas de llenado, cara inferior. A B C Experimento 5: Figura 6: A- Pliegues. B- Faltas de llenado (zonas en azul) Cara superior. C- Faltas de llenado, cara inferior. Experimento 6: Figura 7: A- Pliegues. B- Faltas de llenado (zonas en azul) Cara superior. C- Faltas de llenado, cara inferior. A B C A CB Experimento 7: Figura 8: A- Pliegues. B- Faltas de llenado (zonas en azul) Cara superior. C- Faltas de llenado, cara inferior. A B C Experimento 8: Figura 9: A- Pliegues. B- Faltas de llenado (zonas en azul) Cara superior. C- Faltas de llenado, cara inferior. A B C Experimento 9: Figura 10: A- Pliegues. B- Faltas de llenado (zonas en azul) Cara superior. C- Faltas de llenado, cara inferior. A B C A Experimento 10: gura 11: - Pliegues. Faltas de llenado (zonas en ul) Cara superior. Faltas de llenado, cara inferior. Fi A B- az C- B C Efectuada una comparación grupal y visual de los defectos obtenidos, se desprende que
básicamente son de dos tipos: pliegues y falta de llenado. Respecto de las faltas de llenado no parecieran existir diferencias significativas, ni en las arras de sección de igual forma y en sus diferentes medidas, como tampoco cuando se omparan los defectos resultantes en barras de sección cuadrada y redonda. or el contrario, y en referencia a los pliegues, si bien es cierto que, para barras de sección on igual forma son similares, cuando se los contrasta para barras de sección redonda y uadrada, mientras que para las primeras se ubican concentricamente con todo el erímetro de la pieza, en las segundas, no tienen un patrón definido. odas los experimentos computacionales mostraron pliegues sólo en la cara superior. tra idea que surge de la inspección visual, es que, en las piezas obtenidas a partir de arras red obtuvo una rebaba perimetral uniforme. ara dar mas detalles gues, mostramos a continuación, la evolución el pliegue pe ó un tocho redondo. Figura 12: Evolución del pliegue perimetral en tres etapas (material de partida redondo En referencia a la falta de llenado, como información adicional se muestra seguidamente el flujo y la velocidad del material durante el conformado. b c P c c p T O b ondas, se P en referencia a los plie rimetral, cuando como material de partida se utilizd Etapa 2Etapa 1 Etapa 3 Vista en planta ) Figura el conformado, dirección y velocidad (vista superior) 13: Flujo de material durante Figura 14 Flujo de material durante el conformado, dirección y velocidad (vista inferior). En la escala (a la derecha) se encuentra la velocidad en mm/s. En las figuras 13 y 14 podemos observar que la diferencia de velocidad entre las salientes de la tuerca y el resto del perímetro, sumado al volumen de material que debe trasladarse, roduce en la totalidad de los experimentos computacionales realizados, faltas de llenado en el perímetro interior, ta superior c ferior. 3.2 Energía-fuerza de confor y cierre de mat Seguidam e se presentan los valores de energía del do golpe dado en la matriz y la fuerza de conformado, obtenidos estos valores por simulación numérica, y diferenciados para cada experimento (sólo he considerado para el análisis aquellos valores obtenidos para la operación de forjado en matriz, por cuanto proceso es los valores más elevados, y por consecuencia, se utilizan para la selección de la En la tabla siguiente se presentan los valores de ener uerza obtenidos p imulación numérica. icionalmente se se si la matriz alcanzó o no a cerrarse, y en caso de no haberlo hecho, la medida que qu abierta, para los d s experimentos realizados: Experimento Energía (kJ) Fuerza (t) Cierre de matriz p nto en la zona omo en la in mado, riz ent segun mos este quien genera máquina). gía y f or s Ad ñala edó istinto 1 112 825 No – 0,7mm 2 108 985 Si 3 83 1518 Si 4 100 1095 Si 5 80 2000 Si 6 112 875 No – 1,4mm 7 112 990 No – 0,4mm 8 91 1890 Si 9 108 1180 Si 10 86 2178 Si Tabla 2: Valores de energía, fuerza, y cierre de matriz por experimento Con el objeto de mostrar la variación de los esfuerzos y la energía, conforme aumenta la
medida de la sección del material y el grado de aplastamiento inicial, adjuntamos las figuras 15 y 16, en los cuales estas variables están agrupadas por tipo de sección (palanquilla y redondo). Medida (mm) Grado de aplastamiento (%) 101,486,076,2 1515502515 2000 1750 1500 1250 1000 101,486,076,2 1515502515 115 110 105 100 95 90 85 Fuerza (t) 80 Energía (kJ) Gráfica de intervalos de Fuerza (t). Energía (kJ) 95% IC para la media Figura 15: Valores de fuerza y energía, para la operación de forjado en palanquilla Medida (mm) Grado de aplastamiento (%) 120,0101,688,9 1515502515 2250 2000 1750 1500 1250 1000 120,0101,688,9 1515502515 115 110 105 100 95 90 85 Fuerza (t) Energía (kJ) Gráfica de intervalos de Fuerza (t). Energía (kJ) 95% IC para la media Palanquilla en proceso de conformado Redondo en proceso de conformado Figura 16: Valores de fuerza y energía, para la operación de forjado en redondo Del análisis de estos últimos gráficos se desprende que, independientemente de la
geometría del material (palanquilla o redondo), la fuerza en el conformado final aumenta, tanto si se incrementa la sección del material, como el grado de aplastamiento inicial. En relación a la energía, el comportamiento es opuesto al anterior, dado que toda vez que o el grado de aplastamiento inicial, la energía disminuye. r una solución a este problema, ya lación energía/fuerza resulta evidente que, con el objeto de cuidar Por último, es claro que la prensa de tornillo de 1000t está al límite de sus posibilidades para realizar esta pieza. Sería recomendable entonces utilizar una de 1350t, dado que ble una energía bruta de 200kJ 8. , iciais durante o to Alegre, Brasil (paper). ss and tool design. How to use the simulation method AFOR, Porto Alegre, Brasil (paper). aumenta la sección CONCLUSIONES En relación a los defectos encontrados y dado que, las faltas de llenado podrían afectar la funcionalidad de la pieza, quedará pendiente halla sea aumentando el peso de corte teniendo en cuenta las variaciones de energía y fuerza para la elección del diámetro, y/o usando un canal de rebaba con freno, y/o reemplazando el aplastado inicial con un repartidor. Por el lado de la re la prensa de tornillo y el herramental, será necesario alcanzar un equilibrio de estas variables, considerando la cantidad de golpes que se requieren para lograr el conformado final. esta prensa tiene disponi REFERENCIAS 1 A. Bonnemezón y D. Martinez Krahmer, Práctica industrial de la forja en caliente Editorial Nueva Librería, Buenos Aires, Argentina, 2012 (libro). 2 F. Magalhaes, Simulacao numerica da evolucao de defectos superf processo de recalcamento a frio, Congreso 31º SENAFOR, Por 3 G. Arfmann, Cold forging proce most effectively, Congreso 32º SEN 4 www.simufact.de/en/solutions/sol_form.html (página web). 5 www.cafor.org.ar (página web). 6 www.acindar.com.ar (página web). 7 Vitaliy Martynenko y D. Martinez Krahmer, Determinación de coeficientes de fricción, ara la simulación numérica de los procesos de forjado, por el método pin-on disk, ongreso TriBaires, Buenos Aires, Argentina, 2013 (paper). www.ficepgroup.com/forging p C 8 (página web). View publication stats Ver+/- | |
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