Simulacin del proceso de compactacin de polvos metlicos

J.M. Prado^ y M.D. Riera^

Resumen La simulacin mediante elementos finitos de procesos de conformacin de componentes mecnicos es una herramienta cada vez ms utilizada para su diseo y validacin. En este trabajo se presenta la simulacin de la compactacin en molde de polvo metlico para la elaboracin de una pieza pulvi-metalrgica. Se aplica el modelo de plasticidad CAM-clay modificado y se resuelve con el software de clculo Abaqus. El resultado, en forma de distribuciones de densidades, permite determinar el movimiento de punzones que optimiza la calidad de la pieza acabada. As mismo, se obtiene la distri-bucin de tensiones en las distintas zonas del molde.

Palabras clave: Pulvimetalurgia. Polvos metlicos. Compactacin. Simulacin de procesos.

Simulation of the metallic powders compaction process

Abstract The simulation by means of finite elements of the forming processes of mechanical components is a very useful tool for their design and validation. In this work, the simulation of the compaction of a metal powder is presented. The finite element software Abaqus is used together with the modified CAM-clay plasticity model in order to represent the elastoplastic behaviour of the material. Density distributions are obtained and, therefore, the motion of the compaction punches which improve this distribution can be found. Stress distribution in the different parts of the mould can also be determined.

Keywords: Powder metallurgy. Metallic powders. Compaction. Processes simulation.

1. INTRODUCCIN

La compactacin del polvo metlico dentro del molde, que le confiere la forma deseada, es una etapa fundamental en la elaboracin de piezas pul-vimetalrgicas. En esta fase queda determinada la distribucin de densidades en la pieza, ya que la sinterizacin posterior confiere al compacto la resistencia mecnica necesaria, pero no puede eli-minar los defectos introducidos durante la compac-tacin. La distribucin de densidades puede contro-larse a travs de la geometra de la pieza y, sobre todo, mediante el diseo adecuado del proceso de compactacin: adaptando cuidadosamente los movimientos relativos de los punzones que compri-men el polvo metlico en el interior del molde.

La definicin detallada del proceso de compac-tacin puede optimizarse mediante "simulacin". A

( ' Dpto. de Ciencia de Materiales e Ingeniera Metalrgica. Univ. Politcnica de Catalua. E.T.S.E.I.B. Avda. Diago-nal, 647. 08028-Barcelona (Espaa).

pesar de que slo un sistema experto lleva al diseo completo, la utilizacin de un software de clculo por elementos finitos permite obtener informacin de gran inters desde el punto de vista del compor-tamiento del material y la influencia de las herra-mientas y parmetros del conformado.

El primer aspecto a tener en cuenta es el modelo de comportamiento mecnico del material a com-pactar que es, actualmente, objeto de un gran esfuerzo investigador (1). El modelo clsico de fluencia de los metales totalmente densos, incom-presibles, de von Mises, no puede aplicarse a este caso, ya que, durante la compresin de un material granular, hay densificacin y, por lo tanto, la com-ponente hidrosttica de la tensin juega un papel fundamental.

De los distintos modelos propuestos (2-4), el ms sencillo es el de plasticidad de CAM-clay (o CAM-clay modificado) (5). En este caso, la superficie de cedencia en el espacio "componente hidrosttica de la tensin, p - componente desviado-ra de la tensin, q" consiste en una recta (la recta

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"crtica") que pasa por el origen y que separa la zona de densificacin (a la derecha de la recta) de la de desconsolidacin, o fallo (zona de la izquierda de dicha recta). Los sucesivos estados de endureci-miento del material durante la compresin, se representan mediante elipses (Fig. 1).

En este trabajo se presentan los resultados obte-nidos en la simulacin de la compactacin en fro del polvo prealeado, de Hogans, Distalloy-AE, uti-lizando este modelo de comportamiento, a fin de mostrar su capacidad para predecir el efecto que sobre la distribucin de densidades ejercen los dis-tintos parmetros del proceso industrial.

2. MODELO DE COMPORTAMIENTO DEL MATERIAL

Las expresiones matemticas del modelo de plasticidad CAM-clay son las siguientes:

Comportamiento elasto-plstico:

e-e0=\(lnp0-lnp)

et\. e\ - k (\n Po _ in p) [3]

Locus de cedencia:

M2p-M2p0 p + q2 = 0

[1]

[2]

donde e es la proporcin residual de poros; X, el mdulo plstico; /?, la componente hidrosttica de la tensin; q, la componente desviadora de la ten-sin, y M, la pendiente de la recta crtica.

Para representar el comportamiento elstico, fundamental sobre todo en la etapa de eyeccin del compacto, se ha utilizado un modelo tpicamente aplicado a materiales geolgicos (6-8) y que rela-ciona exponencialmente la variacin de la propor-cin residual de poros elstica con la componente hidrosttica de la tensin aplicada, tal como se muestra en la siguiente ecuacin:

J.M. Prado et al. /Simulacin del proceso de compactacin de polvos metlicos

TABLA L- Parmetros del comportamiento elasto-plstico del material

TABLE L- Parameters ofthe elastic-plastic behaviour ofthe material

k

0,005

V

0,3

P ' MPa

0

X

0,226

M

1,47

a0, MPa

0,95

P 1

K

1

PUNZN SUPERIOR

MATRIZ

PUNZN CENTRAL

A \ PUNZN INFERIOR EXTERIOR

PUNZN INFERIOR INTERIOR

FIG. 4. Molde y punzones para la compactacin.

FIG. 4. Mould and punches for compaction.

Caso 2: Punzones superior, inferiores-externo e -interno mviles. Punzn central fijo.

En ambas situaciones, los movimientos de los punzones son los adecuados para conseguir una densidad terica uniforme de 6,6 Mg/m3.

4. RESULTADOS Y DISCUSIN

En la figura 5 se muestra la distribucin de la proporcin residual de poros,

I | L & '&

t

VALU h2. 8SE+0S

2. 97E+07

- 5 . 91E+07

8. 8SE+07

- + 1 . 18E+08

- + 1 . 4 7 E + 0 8

- + 1 . 7 6 E + 0 8

- 2 . 0 6 E + 0 8

2. 3SE+08

+ 2 . 6 S E + 0 8

+ 2. 94E+Q8

+ 3 . 24E+08

3 . 5 3 E + 0 8

+ 3 . 8 2 E + 0 8

FIG. 7. Distribucin de la tensin equivalente en el molde para el caso 1.

FIG. 7. Equivalent stress distribution in the mould for case 1.

fabricacin de los moldes de compactar. La zona ms rigurosamente solicitada es la cara interior del cilindro externo del molde; en este caso, podran aparecer problemas de desgaste si el nmero de pie-zas a compactar fuera muy elevado.

5. CONCLUSIONES

La simulacin mediante elementos finitos del proceso de compactacin de polvos metlicos per-

mite optimizar el proceso de elaboracin de piezas pulvimetalrgicas.

El modelo de plasticidad CAM-clay modificado representa convenientemente el comportamiento elastoplstico de este tipo de materiales durante su compresin en fro.

REFERENCIAS

(1) Proc. Intern. Workshop on Modelling of Metal Powder Forming Processes. Grenoble (Francia). 1977.

(2) GURSON, A.L. J. Eng. Met. Tech. Paper No. 76-Mat-CC. 1976.

(3) SHIMA, S. y OYANE, M. Int. J. Mee. Sci. 18, 1976 : 285.

(4) FLECK, N.A., KUHN, L.H. y MCMEEKING, R.M. / . Mech.

Phys. Solids. 40 (5), 1992 : 1.139.

(5) ROSCOE, K.H., SCHOFIELD, A. y THURAIRAJAH, A.

Gotechnique. 13 (3), 1963 : 211.

(6) ROSCOE, K.M. y POOROSHASB, H.B. Gotechnique. 13 (3),

1963.

(7) ZIENKIEWICZ, O.C. y NAYLOR, D.J. Stress-strain behaviour

of Soils. Editorial Parry. 1972 : 537.

(8) RIERA, M.D. y PRADO, J.M. Proc. Intern. Workshop on

Modelling of Metal Powder Forming Processes. Grenoble (Francia) 1977 : 29.

(9) H.K.S. Inc. ABAQUS Theory Manual. Versin 5.6. 1996.

Rev. Metal. Madrid, 34 (mayo), 1998 341

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