Simulación numérica y diseño robusto de un proceso tradicional de la industria aeronáutica para el conformado de chapa de aleación de aluminio

Resumen

Se realiza una revisión del proceso de conformado de chapa metálica con prensa de almohadilla de goma, proceso tradicional en la industria aeronáutica, que surge en la primera mitad del siglo XX, como respuesta económica a los plazos elevados y a la calidad inconsistente del conformado manual. Se analizan los parámetros más importantes de los procesos y los defectos que aparecen, como la recuperación elástica de las piezas, la estricción o fractura dúctil y el arrugamiento, y su variabilidad relacionada con la variabilidad en las características mecánicas del material de la chapa relacionadas con el conformado. Para que el proceso pueda seguir siendo competitivo, es necesario controlar y reducir su variabilidad. Se revisan los fundamentos de la aplicación del método de los elementos finitos, en la simulación del conformado de chapa y los modelos de comportamiento del material, de la predicción del fallo de la chapa por estricción o por fractura dúctil y el diagrama límite de conformado y se revisan los diferentes aspectos que influyen en la simulación por elementos finitos de la recuperación elástica. Se revisan las bases teóricas del diseño de experimentos y de la metodología de diseño robusto de Taguchi y de su aplicación a la optimización multiobjetivo, analizando las limitaciones del método. Se propone una metodología de optimización basada en el diseño robusto de Taguchi, de los factores de control, de un proceso de conformado con prensa de almohadilla de goma para minimizar simultáneamente la recuperación elástica y el adelgazamiento de la chapa y los hace insensibles a la variación de las características mecánicas del material. La metodología propuesta se aplica a un proceso de estampación en prensa de diafragma, de una chapa de aleación de aluminio aeronáutico, en un estado de tratamiento térmico no habitual. El conformar la chapa en estado conllevaría ahorros importantes en el proceso. El proceso se simula mediante un programa comercial del método de los elementos finitos, para obtener la recuperación elástica de la pieza y el adelgazamiento de la chapa. Se caracteriza el material para la simulación numérica, mediante ensayos normalizados y para obtener el diagrama límite de conformado de la chapa. La optimización multiobjetivo propuesta permite encontrar una combinación de los niveles de los factores de control que minimizan simultáneamente la recuperación elástica y el adelgazamiento de la chapa y los hace insensibles a la variación de las características mecánicas del material. Los valores de la recuperación elástica obtenidos con los factores óptimos, junto con un estudio de las tolerancias del bloque de conformar, permiten modificar el bloque compensando la recuperación elástica. Los valores de las deformaciones verdaderas representadas en el diagrama límite de conformado permiten evaluar el riesgo de estricción de la chapa en el estado considerado. Se establecen las conclusiones y las futuras líneas de trabajo.