instituto politecnico nacional escuela superior de ingeniería mecánica y eléctronica

116 Pages·2008·3.06 MB·Spanish

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRONICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO

DISPOSITIVO DE SUJECIÓN PARA EL PROCESO DE
HIDROFORMADO PARA TUBO

TESIS

PARA OBTENER EL TITULO DE

INGENIERO MECÁNICO

PRESENTA

MARIA DEL ROSARIO GARCÍA CHAVEZ

ASESORES:

M. en C. RICARDO MARIO GARCÍA SÁNCHEZ
M. en C. MARIO GUERRERO RIVERA

NOVIEMBRE, 2008
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Son muchas personas especiales a las que me gustaría agradecer su amistad, apoyo, ánimo y compañía
en las diferentes etapas de mi vida. Algunas están aquí conmigo y otras en mis recuerdos y en el
corazón. Sin importar en donde estén o si alguna vez llegan a leer estas dedicatorias quiero dar las
gracias por formar parte de mi, por todo lo que me han brindado y por todas sus bendiciones.

MMMMAAAAMMMMIIII
No me equivoco, si digo que eres la mejor mama del mundo, gracias por todo tu esfuerzo, tu apoyo y
por la confianza que depositaste en mi. Gracias porque siempre, has estado a mi lado. Te quiero
mucho.

PPPPAAAAPPPPAAAA
Aunque no estés conmigo en este momento, se que tu alma rodea todo lo que hago, te extraño, y este es
un logro que quiero compartir contigo

AAAA MMMMIIIISSSS HHHHEEEERRRRMMMMAAAANNNNOOOOSSSS
Gabriela, Ana Bertha, Adriana, Tycho y Miguel por ser los mejores hermanos que una tontita como
yo puede tener

AAAA MMMMIIII EEEESSSSPPPPOOOOSSSSOOOO
Alain por tolerar, por soportar y aguantarme tanto gracias por tu apoyo TE QUIERO

DDDDYYYYAAAANNNNAAAA
Tampoco te quedas atrás, creo que no puede haber mejor cuñada que tu, gracias por apoyarme en esto
y por las porras que me echas

AAAA MMMMIIIISSSS SSSSOOOOBBBBRRRRIIIINNNNOOOOSSSS
Mauricio, Marco, Santiago, Daniel, Josué, Miguelito, Sandra, Diana, Paola, Laura, Aurora y
Karen, porque son parte de mi vida, se que no soy la mejor tía del mundo pero los quiero mucho

AAAA MMMMIIIISSSS AAAAMMMMIIIIGGGGOOOOSSSS
Sin excluir a ninguno pero en especial a Carmen Romero, Mario Tovar, Ricardo, Cristian, Oswaldo,
Oscar, Aparicio, mil gracias por todos los momentos que hemos pasado juntos y por que han estado
conmigo aunque sea solo para dar lata y molestar

AAAA TTTTOOOODDDDOOOOSSSS MMMMIIIISSSS PPPPRRRROOOOFFFFEEEESSSSOOOORRRREEEESSSS
No solo de la carrera sino de toda la vida, mil gracias porque de alguna manera forman parte de lo
que ahora soy. En especial a Ricardo Mario García, Mario Guerrero y Marco Antonio Cárdenas por
todo el apoyo que me brindaron

AL MAS ESPECIAL DE TODOS, A TI SEÑOR POR TODO EL AMOR CON EL QUE ME
RODEAS Y PORQUE ME TIENES EN TUS MANOS. ESTA TESIS ES PARA TI.

Dispositivo de sujeción para el proceso de hidroformado para tubo
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INDICE

INDICE GENERAL i
INDICE DE FIGURAS iv
INDICE DE TABLAS viii
SIMBOLOGIA ix
INTRODUCCIÓN xi
OBJETIVO xii
CAPÍTULO 1
1. Hidroformado 2
1.1. Proceso de hidroformado 2
1.2. Antecedentes 4

CAPÍTULO 2
2. Descripción del proceso de hidroformado de tubos y su problemática 9
2.1. Control de la deformación del tubo 13
2.2. Ventajas del proceso de hidroformado de tubos (HFT) 14
2.3. Aplicaciones del proceso de HFT 14
2.4. Factores que afectan el proceso de HFT 16

CAPÍTULO 3
3. Modelo analítico proceso de hidroformado 18
3.1. Modelo analítico 18
3.1.1. Estado de esfuerzo y deformación del tubo 19
3.1.2. Comparación entre el HFT e hidroformado dual 24

CAPÍTULO 4
4. Dispositivo del sistema de hidroformado dual propuesto 30
4.1. Componentes del sistema de HFT 30
4.1.1. Prensas o dispositivos de sujeción 31
4.1.2. Herramental 32
4.1.3. Sistema hidráulico 33
4.1.4. Cilindros y pistones hidráulicos 34
4.1.5. Sistema de control del proceso 35
Dispositivo de sujeción para el proceso de hidroformado para tubo i
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CAPÍTULO 5
5. Estudio de los parámetros del proceso de hidroformado dual 37
5.1. Parámetros del proceso de hidroformado dual 37
5.1.1. Tubo 37
5.1.2. Exponente de endurecimiento por deformación 43
5.1.3. Anisotropía del material 44
5.1.4. Curvas de carga 47
5.1.5. Presión interior y exterior, fuerza y desplazamiento axial 49
5.1.5.a. presión interna 49
5.1.5.b presión externa 50
5.1.5.c fuerza axial 51
5.1.6. Fricción 52
5.1.6.a. Efecto del coeficiente de fricción entre el dado y el tubo 53
5.2. Diagrama de limite de formado como criterio de falla 54
5.3. Estrategia a seguir para el análisis parámetros del HFD 59

CAPÍTULO 6
6. Modelado del proceso de hidroformado dual por elemento finito 61
6.1. Modelado por elemento finito 61
6.1.1. Etapas del modelado por elemento finito 62
6.2. Modelo discreto del proceso de HFD 63
6.2.1. Condiciones de frontera del proceso de HFD 63
6.3. Material y dimensiones del tubo 65
6.4. Simulaciones con tubo de acero 66
6.4.1. Comparación entre el hidroformado convencional (HFT) y el hidroformado
dual(HFD) 66
6.4.2. Efecto producido por el desplazamiento axial 72
6.4.3. Evaluación de la presión externa 73
6.4.4. Evaluación del coeficiente de fricción en el HFD 75
6.4.5. Evaluación de la anisotropía en el HFD 76
6.4.6. Evaluación del desplazamiento axial 77
6.5. Simulaciones con tubo de aluminio 80
6.5.1. Evaluación del coeficiente de fricción en el HFD para el aluminio 83
6.5.2. Evaluación de la anisotropía en el HFD para el aluminio 84

CAPÍTULO 7
7. Análisis de resultados 86
7.1. Resultados de simulaciones con tubo de acero 86
7.1.1. Análisis de presión externa 86
7.1.2. Análisis del exponente de endurecimiento por deformación 89
7.1.3. Análisis del coeficiente de fricción 90
7.1.4. Análisis de la anisotropía 91
7.2. Resultados de simulaciones con tubo de aluminio 92
7.2.1. Análisis de presión externa 92
7.2.2. Análisis de la anisotropía 93
Dispositivo de sujeción para el proceso de hidroformado para tubo ii
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C APÍTULO 8
8. Diseño conceptual del sistema hidráulico 95
8.1. Descripción del sistema hidráulico 95
8.2. Cálculo de presiones y fuerza axial 98

CONCLUSIONES 101

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 102

Dispositivo de sujeción para el proceso de hidroformado para tubo iii
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INDICE DE FIGURAS

Figura 1.1.- Proceso de hidroformado tradicional 3
Figura 1.2.- Fuerza de oposición para el formado de protuberancia “T” 6
Figura 1.3.- Aplicación de presión exterior para el formado de protuberancia axisimétrica
6
Figura 2.1. Ejemplos de fallas en el proceso HFT 10
Figura 2.2.- Longitud máxima en zona de expansión 10
Figura 2.3.- Proceso de hidroformado con aplicación de presión externa 13
Figura 2.4.- Aplicaciones automotrices del HFT 14
Figura 2.5.- Manifolds de descarga 15
Figura 2.6.- Ejemplos de aplicaciones HFT 15
Figura 3.1.- Coordenadas cilíndricas de un tubo de pared delgada 18
Figura 3.2.- Tubo bajo protuberancia 19
Figura 3.3.- Tubo con presión interna y externa 22
Figura 3.4.- Sistema de esfuerzo radial y axial 23
Figura 3.5.- Esquema del tubo 24
Figura 4.1.- Componentes de un sistema de hidroformado convencional 30
Figura 4.2.- Componentes de un sistema de hidroformado dual 30
Figura 4.3.- Prensa de hidroformado 31
Figura 4.4.- Componentes del herramental 32

Figura 4.5.- Esquema del sistema de hidroformado 33
Figura 4.6.- Molde del HFD 34
Figura 4.7.- Formado de protuberancia “T” 34
Figura 4.8.- Esquema del proceso de hidroformado 35
Figura 5.1.- Esquema de producción de tubos sin costura 39
Dispositivo de sujeción para el proceso de hidroformado para tubo iv
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Figura 5.2.- Esquema del proceso de estirado en frío 39
Figura 5.3.- Producción de tubo con costura 40
Figura 5.4.- Diagrama de floreado en el formado del tubo con costura 41
Figura 5.5.-Efecto del exponente de endurecimiento por deformación 44
Figura 5.6.- Probetas para determinar el valor de r 46
Figura 5.7.- Comportamiento del proceso de HFD para diferentes valores de r 46
Figura 5.8.- Curva de carga presión interna contra tiempo 48
Figura 5.9.- Curva de carga fuerza axial contra presión interna 48
Figura 5.10.- Fuerza axial durante el hidroformado 51
Figura 5.11.- Zonas de fricción 52
Figura 5.12.- Comportamiento del proceso de HFD para diferentes coeficientes de
fricción 54
Figura 5.13.- Análisis del mallado cuadrícula-círculos 55
Figura 5.14.- Mallado en lámina para pruebas de FLD 55
Figura 5.15.- Prueba de protuberancia 56
Figura 5.16.- Resultados de la prueba de protuberancia para diferentes probetas 56
Figura 5.17.- Forma de los círculos en la lámina después de la prueba 57
Figura 5.18.- Diagrama de limite de formado 57
Figura 5.19.- Diagrama de limite de formado para un acero inoxidable 409 58
Figura 6.1.- Modelo discreto del proceso deHFD 63
Figura 6.2.- Condiciones de frontera en el tubo 64
Figura 6.3.- Dimensiones del tubo 65
Figura 6.4.- Simulación para caso 0 67
Figura 6.5.- Simulación para caso 1 67
Figura 6.6.- Simulación para caso 2 68
Figura 6.7.- Simulación para caso 3 68
Dispositivo de sujeción para el proceso de hidroformado para tubo v
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Figura 6.8.- Simulación para caso 4 69
Figura 6.9.- Fenómeno de fractura(caso 0) 70
Figura 6.10.- Fenómeno de cintura (caso 4) 70
Figura 6.11.- Esquema del tubo formado 71
Figura 6.12.- Comportamiento el espesor para diferentes presiones externas 72
Figura 6.13.- Fase inicial del proceso 73
Figura 6.14.- Presiones externas 74
Figura 6.15.- Espesor y altura de protuberancia para cada presión externa 74
Figura 6.16.- Efecto del coeficiente de fricción µ en el proceso de HFD 76
Figura 6.17.- Efecto de la anisotropía r en el proceso de HFD 77
Figura 6.18.- Modificación en la trayectoria del desplazamiento axial 78
Figura 6.19.- Comportamiento de las curvas de carga A, B, C, D y E 79
Figura 6.20.- comportamiento del tubo de aluminio pajo una presión externa de 5.2MPa. 80
Figura 6.21.-Curvas de carga para tubo de aluminio 81
Figura 6.22.- Presiones externas para el tubo de aluminio 82
Figura 6.23.- Comportamiento del tubo a diferentes presiones externa 82
Figura 6.24.- Efecto de cintura en tubo de aluminio 83
Figura 6.25.- Efecto del coeficiente de fricción en el tubo de aluminio 84
Figura 6.26.- Efecto de la anisotropía en el tubo de aluminio 84
Figura 7.1.- Efecto causado por presión externa alta en el tubo de acero 87
Figura 7.2.- Comportamiento del proceso de HFT 88
Figura 7.3.- Gráficas del FLD para las presiones de 7.5 MPa y 8.75MPa 88
Figura 7.4.- Comportamiento para diferentes valores del exponente de endurecimiento
por deformación 89
Figura 7.5.- Comportamiento del acero con distintos valores de µ 90
Figura 7.6.- Gráficas del FLD para los distintos valores de anisotropía 91
Dispositivo de sujeción para el proceso de hidroformado para tubo vi
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Figura 7.7.- Efecto causado por presión externa alta en el tubo de aluminio 93
Figura 7.8.- Comportamiento del tubo de aluminio bajo diferentes valores de anisotropía 93
Figura 8.1.- Esquema del circuito de pistones axiales 96
Figura 8.2.- Esquema del circuito de emulsión 97
Figura 8.3 Adaptador 98
Figura 8.4.- Balance de fuerzas para el proceso de hidroformado 99

Dispositivo de sujeción para el proceso de hidroformado para tubo vii
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INDICE DE TABLAS

Tabla 2.1.- Matriz de fallas y problemas en el hidroformado de tubos…………………... 9
Tabla 2.2.- Defectos en el pre-formado del tubo………………………………………….. 11
Tabla 2.3.- Defectos en el doblado del tubo………………………………………………. 11
Tabla 2.4.- Defectos de fabricación del tubo……………………………………………… 11
Tabla 3.1.- Propiedades del tubo………………………………………………………….. 24
Tabla 3.2.- Comparación entre estado de esfuerzo-deformación y espesor para HFT y
HFD……………………………………………………………………………………….. 28
Tabla 5.1.- Materiales comunes utilizados en HFT……………………………………….. 38
Tabla 5.2.- Propiedades de materiales…………………………………………………….. 42
Tabla 5.3.- Composición del acero A573 grado 58……………………………………….. 42
Tabla 5.4.- Composición del aluminio 6061-T4…………………………………………... 42
Tabla 5.5.- Diferentes valores del exponente de endurecimiento por deformación………. 44
Tabla 5.6.- Valores del espesor obtenido bajo diferentes valores de r……………………. 47
Tabla 6.1.- Dimensiones del tubo…………………………………………………………. 65
Tabla 6.2.- Condiciones de carga………………………………………………………….. 66
Tabla 6.3.- Comparación entre los casos 0, 1, 2 y 3, a una misma altura de la
protuberancia………………………………………………………………………………. 71
Tabla 6.4.- Valores de espesor a una misma altura………………………………………... 75
Tabla 6.5.- Valores de coeficiente de fricción…………………………………………….. 75
Tabla 6.6 Valores de anisotropía………………………………………………………….. 76
Tabla 6.7.- Condiciones de carga para el tubo de acero…………………………………... 81
Tabla 6.8.- Valores de anisotropía y coeficiente de fricción……………………………… 83
Tabla 7.1 Resultados de simulaciones numéricas del acero………………………………. 86
Tabla 7.2.- Efecto de parámetros r y n.................................................................................. 92
Tabla7.3.- Resultados de simulaciones numéricas del aluminio………………………….. 92
Tabla 8.1.- Valores de presiones y carga axial……………………………………………. 100

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