TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS · Existe una gran diversidad de remaches, lo cual permite que tengan usos diversos. ... comparación con el método analítico..... 30 Figura 3.10

Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico

Departamento de Ingeniería Mecánica

TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS

Análisis Numérico de Uniones Remachadas en Función de su Aplicación

presentada por

Luis Fernando Castro López Ing. Mecánico por el I. T. de Tuxtla Gutiérrez

como requisito para la obtención del grado de: Maestro en Ciencias en Ingeniería Mecánica

Director de tesis: Dr. Dariusz Slawomir Szwedowicz Wasik

Co-Director de tesis: M.C. Claudia Cortés García

Cuernavaca, Morelos, México. 11 de Julio de 2012

Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico

Departamento de Ingeniería Mecánica

TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS

Análisis Numérico de Uniones Remachadas en Función de su Aplicación

presentada por

Luis Fernando Castro López Ing. Mecánico por el I. T. de Tuxtla Gutiérrez

como requisito para la obtención del grado de:

Maestro en Ciencias en Ingeniería Mecánica

Director de tesis:

Dr. Dariusz Slawomir Szwedowicz Wasik

Co-Director de tesis:

M.C. Claudia Cortés García

Jurado: Dr. Jorge Colín Ocampo – Presidente

M.C. Eladio Martínez Rayón – Secretario M.C. Quirino Estrada Barbosa – Vocal

Dr. Dariusz Slawomir Szwedowicz Wasik – Vocal Suplente

Cuernavaca, Morelos, México. 11 de Julio de 2012

Dedicatoria

A Fernando Castro y Úrsula López, mis padres, mis mentores,

mis entrenadores, mis ídolos, mis guías, mis mejores amigos y por

mucho, las personas más increíbles que he conocido. Siempre

procuraré hacerlos sentir orgullosos…

A mis hermanos Nallely y Gerardo Castro, dos de los tesoros más

grandes que me dio la vida….

A mi madrina Gloria Castro, mi ángel de la guarda…

AGRADECIMIENTOS

Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) por el apoyo económico recibido

para la realización de mis estudios de maestría.

Al Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (cenidet) por todo el apoyo

brindado y la formación académica recibida a través de sus profesores.

A mis asesores de tesis, Dr. Dariusz Szwedowicz Wasik y M.C. Claudia Cortés García por la

orientación y apoyo que me otorgaron para la realización de este proyecto de investigación y

por sus grandes contribuciones en mi formación profesional.

En forma especial al M.C. Eladio Martínez Rayón, por el apoyo que me brindó durante mis

estudios de maestría, por su asesoramiento y aún más, por sus sinceras muestras de amistad.

A los miembros del comité revisor, Dr. Jorge Colín Ocampo y M.C. Quirino Estrada Barbosa

por sus consejos, apoyo y por sus valiosas aportaciones durante la revisión de este trabajo.

A todos los investigadores del área de diseño mecánico de este centro de investigación que

contribuyeron en mi formación profesional.

A todo el personal administrativo y de servicios del cenidet por su indispensable apoyo.

A mi madrina, Profra. Gloria Castro y al Lic. Juan Carlos Rodríguez por sus consejos y su

invaluable apoyo en mi desarrollo personal.

A mi gran amigo Jaime Fernández por su apoyo, sincera y valiosa amistad, por sus consejos y

los buenos momentos.

A mi amigo Juan Carlos López por su valiosa amistad y apoyo durante la redacción de este

trabajo.

A mis amigas de Elba’s bar: Clarissa, Karen, Leti, Astrid y Elsa, por su amistad y los buenos

momentos compartidos.

A mi cuñado Giovani Castillo por su sincera y valiosa amistad, y por haberme recibido en su

casa siempre con los brazos abiertos.

Especialmente a mis padres Fernando Castro y Úrsula López, y a mis hermanos Nallely

Castro y Gerardo Castro; por todo su amor, su apoyo incondicional y por estar siempre a mi

lado. Sin ustedes esto no habría sido posible.

¡MUCHAS GRACIAS!

Resumen

Las uniones mecánicas a través de remaches son encontradas en gran variedad de

aplicaciones debido su versatilidad para unir todo tipo de materiales, facilidad de aplicación,

ahorro de tiempo que ofrecen en su ejecución; su amplia eficiencia para transmitir cargas

entre sus elementos y de soportar esfuerzos cortantes. Existe una gran diversidad de

remaches, lo cual permite que tengan usos diversos. Algunas de sus aplicaciones se

encuentran en la industria de la construcción, la industria automotriz; hasta la aplicación en

fuselajes de aviones en la industria aeronáutica. De aquí entonces, que se haga relevante el

estudio de este tipo de uniones.

Conocer el estado de esfuerzos en que se encuentran las uniones remachadas es

fundamental para realizar un diseño factible de estas, permitiendo un eficiente desempeño

de las uniones y un margen adecuado de seguridad. Esta investigación tiene como objetivo

el estudio del proceso de remachado en uniones remachadas con remaches tipo solidos

avellanados y la influencia que los parámetros como la rigidez de los elementos, fuerza de

apriete, ajuste inicial y fricción entre los elementos de la unión, tienen sobre la calidad e

integridad de la misma. Adicionalmente se aborda el problema de contacto entre los

materiales de la unión y la calidad del llenado del remache en los agujeros. Finalmente, las

conclusiones muestran las ventajas y desventajas de la variación de cada uno de los

parámetros, lo cual puede usarse para establecer el mejor diseño en función de las

condiciones de trabajo de la unión.

Abstract

The mechanical union through rivets is found in a wide variety of applications due to their

versatility in joining all kind of materials, facility of application, saving of time in their

execution, wide efficiency in transmitting load between the elements, and support of shear

stress. There is a great variety of rivets which facilitate their multiples uses. Some of its

applications are found in the construction industry, automotive industry; till the application in

aircraft fuselages in the aeronautic industry. Therefore it’s relevant the study of this kind of

joints.

Knowing the stress state in which union are, it’s fundamental to make a feasible design,

allowing an efficient performance of the unions and adequate margin of safety. The principal

goal of this research is to study the riveting process using solid countersunk rivets, and the

influence of parameters such the stiffness of the elements, squeeze force applied during the

riveting process, initial adjustment, friction between the elements of the union. Further,

contact issue between the elements is addressed as well as filling quality of the holes by the

rivet. Finally the conclusions show the advantages and disadvantages of the variations of

each parameter such can be used to establish the best design based on the work conditions

of the union.

Contenido

CENIDET i

CONTENIDO

LISTA DE FIGURAS ______________________________________________________ iii

LISTA DE TABLAS ______________________________________________________ viii

CAPITULO 1

1. Estado del arte ________________________________________________________ 1

1.1. Influencia del proceso de remachado ____________________________________ 1

1.1.1. Distribución de carga en la unión remachada ___________________________ 1

1.1.2. Daño en zonas de contacto de las uniones remachadas __________________ 2

1.1.3. Esfuerzos residuales en uniones remachadas __________________________ 3

1.1.4. Factores que afectan la vida útil de una unión remachada ________________ 3

1.1.5. Efecto de la fuerza de apriete en el formado de los remaches y la resistencia a

la fatiga de la unión ____________________________________________________ 5

CAPITULO 2

2. Proceso de remachado _________________________________________________ 8

2.1. Tipos de remaches __________________________________________________ 9

2.1.1. Remaches de rotura de vástago _____________________________________ 9

2.1.2. Remaches autoperforantes ________________________________________ 10

2.1.3. Remaches sólidos y semi-tubulares _________________________________ 11

2.1.4. Tipos de cabezas de remaches ____________________________________ 13

2.1.5. Ajustes y tolerancias de unión _____________________________________ 14

2.1.6. Defectos en el proceso de remachado _______________________________ 16

2.2. Clasificación de las uniones remachadas ________________________________ 17

2.3. Tipos de fallas en uniones remachadas _________________________________ 17

2.4. Aplicaciones de las uniones remachadas ________________________________ 18

CAPITULO 3

3. Modelo discreto ______________________________________________________ 20

3.1 Selección del remache a utilizar ________________________________________ 21

3.2. Unión seleccionada como objeto de estudio ______________________________ 22

3.3. Propiedades mecánicas de los materiales en la unión ______________________ 23

3.4. Descripción del modelo discreto _______________________________________ 24

3.5. Validación del modelo discreto ________________________________________ 26

CAPITULO 4

4. Estudios paramétricos de la unión remachada ____________________________ 33

4.1 Efecto de la rigidez de los elementos en la unión __________________________ 34

4.1.1 Análisis 1: Modelo inicial __________________________________________ 35

Contenido

CENIDET ii

4.1.2 Análisis 2: Intercambio de materiales ________________________________ 36

4.1.3 Análisis 3: Material del remache considerablemente blando _______________ 42

4.1.4 Análisis 4: Uniones con remaches de diferentes materiales bajo condiciones

iguales de deformación ________________________________________________ 44

4.1.5 Efecto de la variación de la rigidez de los elementos en la calidad de la unión 44

4.2 Fuerza de apriete aplicada en el remachado de la unión ____________________ 50

4.2.1 Efecto en la restitución elástica _____________________________________ 50

4.2.2 Efecto en las zonas de contacto ____________________________________ 53

4.2.3 Efecto en los esfuerzos radiales ____________________________________ 55

4.2.4 Efecto en los esfuerzos tangenciales de tensión ________________________ 57

4.3 Ajuste inicial de la unión ______________________________________________ 60

4.3.1 Efecto en la restitución elástica (springback) ___________________________ 62




4.4. Coeficiente de fricción entre el remache y las placas de la unión ______________ 69

4.4.1 Efecto en la restitución elástica (springback) ___________________________ 70




4.4.5 Efecto en el deslizamiento entre el remache y las placas _________________ 79

CAPITULO 5

5. Conclusiones y recomendaciones _______________________________________ 81

5.1 Conclusiones ______________________________________________________ 81

5.2 Recomendaciones __________________________________________________ 86

REFERENCIAS ___________________________________________________________ 87

Lista de figuras

CENIDET iii

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1. Proceso de remachado [21]. ................................................................................. 9

Figura 2.2. Proceso de remachado con remaches autoperforantes [22]. .............................. 10

Figura 2.3. Remaches tipo sólidos [23]. ................................................................................ 11

Figura 2.4. Remaches tipo semitubulares [25]. ..................................................................... 11

Figura 2.5. Proceso de remachado para remaches tipo sólidos y semitubulares [26] ........... 12

Figura 2.6. Buterolas empleadas para el proceso de remachado ......................................... 12

Figura 2.7. Remache solido con cabeza tipo avellanada [24]. ............................................... 13

Figura 2.8. Parámetros de identificación de remaches comunes [28]. .................................. 14

Figura 2.9. Tipos de ajuste en uniones remachadas ............................................................. 15

Figura 2.10. Especificaciones técnicas de remaches [29]. .................................................... 16

Figura 2.11. Defectos en el proceso de remachado .............................................................. 16

Figura 2.12. Unión remachada, donde: (a) traslape; (b) tope o doble cubrejuntas [30]. ........ 17

Figura 2.13. Modos de falla en uniones remachadas [30]. .................................................... 18

Figura 2.14. Aplicaciones de las uniones remachadas.......................................................... 19

Figura 3.1. Tipos de remaches [35]. ...................................................................................... 21

Figura 3.2. Ejemplo de aplicaciones de las uniones remachadas [27]. ................................. 21

Figura 3.3. Configuración dimensional del modelo de estudio. ............................................. 23

Figura 3.4. Parámetros de propiedades de material usados en el modelo por elemento finito

[37,17]. .......................................................................................................................... 23

Figura 3.5. Curva esfuerzo deformación efectiva del aluminio 6061-T6 probado a diferentes

velocidades de deformación [38]. .................................................................................. 24

Figura 3.6. Modelo discreto 2D axisimétrico con 3 partes deformables, una buterola rígida y

sus condiciones de frontera ........................................................................................... 25

Figura 3.7. Fases de deformación del remache .................................................................... 27

Lista de figuras

CENIDET iv

Figura 3.8. Dimensiones iniciales de la unión utilizadas para la determinación analítica del

diámetro final de la cabeza secundaria formada del remache al finalizar el proceso de

remachado. .................................................................................................................... 27

Figura 3.9. Parámetros de los resultados del análisis por elemento finito usados para la

comparación con el método analítico. ............................................................................ 30

Figura 3.10. Gráficas del comportamiento de la diferencia entre los resultados de los

métodos analítico y numérico ........................................................................................ 31

Figura 4.1. Modelo discreto 2D axisimétrico con 3 partes deformables, una buterola rígida y

sus condiciones de frontera. .......................................................................................... 34

Figura 4.2. Comparación entre resultado experimental [37] y numérico. ............................... 36

Figura 4.3. Comparación de los resultados entre: a) modelo1 y b) modelo 2. ....................... 37

Figura 4.4. Comparación de esfuerzos radiales compresivos y detección de zonas de apriete

(líneas blancas) en: a) Modelo 1, b) Modelo 2. .............................................................. 38

Figura 4.5. Formas de falla en remaches [40]. ...................................................................... 39

Figura 4.6. Fenómeno de fretting en uniones remachadas [41]. ........................................... 39

Figura 4.7. Nodos del remache en la zona de contacto cuyos desplazamientos sobre el eje X

al final del proceso de remachado son graficados. ........................................................ 40

Figura 4.8. Gráficas de desplazamientos de la zona de contacto del remache ..................... 40

Figura 4.9. Deformaciones plásticas radiales compresivas en a) Modelo 1, b) Modelo 2. ..... 42

Figura 4.10. Deformación del remache y distribución de esfuerzos en la zona de contacto

entre el remache y la placa. ........................................................................................... 43

Figura 4.11. Deformación en la zona de contacto entre el remache y la placa inferior

implementando: a) materiales de rigidez similar, b) remache de material blando

comparado con las placas. ............................................................................................ 43

Figura 4.12. Deformación y esfuerzos en la zona de contacto de la cabeza formada del

remache con la placa inferior; usando para las placas aluminio 6061-T6 y en el remache,

aluminio: a) 1100-0, b) 2117-T4. .................................................................................... 44

Figura 4.13. Esfuerzos residuales en la unión; usando para las placas, aluminio 6061-T6 y en

el remache, aluminio: a) 2117-T4, b) 1100-0. ................................................................ 45

Figura 4.14. Esfuerzos radiales compresivos en la unión; usando para las placas, aluminio

6061-T6 y en el remache, aluminio: a) 2117-T4, b) 1100-0. ........................................... 45

Lista de figuras

CENIDET v

Figura 4.15. Esfuerzos radiales compresivos en la placa inferior de las uniones; usando para

las placas, aluminio 6061-T6 y en el remache, aluminio: a) 2117-T4, b) 1100-0. ........... 46

Figura 4.16. Longitud de la zona de contacto entre las placas de unión superior e inferior,

usando para estas, aluminio 6061-T6 y en el remache, aluminio: a) 2117-T4, b) 1100-0.

...................................................................................................................................... 47

Figura 4.17. Esfuerzos tangenciales de tensión en la unión; usando para las placas, aluminio

6061-T6 y en el remache, aluminio: a) 2117-T4, b) 1100-0. ........................................... 48

Figura 4.18. Deformaciones plásticas en el plano X-Y; usando para las placas, aluminio

6061-T6 y en el remache, aluminio 2117-T4. ................................................................. 49

Figura 4.19. Gráficas de los desplazamientos radiales del remache a lo largo de la zona de

interacción con las placas; usando para las placas aluminio 6061-T6 y en el remache,

aluminio: a) 2117-T4, b) 1100-0. .................................................................................... 49

Figura 4.20. Distribución de los esfuerzos axiales (eje Y) en el remache antes de la

descarga, con una fuerza de apriete de: a) 4300 lb, b) 5300 lb y c) 5800 lb. ................. 51

Figura 4.21. Distribución de los esfuerzos axiales, eje Y, en las placas antes de la descarga,

con una fuerza de apriete de: a) 4300 lb, b) 5300 lb y c) 5800 lb. .................................. 52

Figura 4.22. Aumento de la zona de contacto en la región de avellanado con respecto a la

fuerza de apriete de: a) 4300 lb, b) 5300 lb y c) 5800 lb. ............................................... 54

Figura 4.23. Aumento de la zona de contacto entre las placas con respecto a la fuerza de

apriete de: a) 4300 lb, b) 5300 lb y c) 5800 lb. ............................................................... 54

Figura 4.24. Aumento de la zona de contacto entre el cuerpo del remache y las placas con

respecto a la fuerza de apriete de: a) 4300 lb, b) 5300 lb y c) 5800 lb. .......................... 55

Figura 4.25. Nodos de la placa inferior en la zona de contacto cuyos esfuerzos radiales,

sobre el eje X, son determinados. .................................................................................. 56

Figura 4.26. Gráficas de esfuerzos radiales compresivos en la placa inferior de las uniones;

implementando una fuerza de remachado de: a) 4300 lb, b) 5300 lb y c) 5800 lb. ......... 57

Figura 4.27. Esfuerzos tangenciales de tensión en la placa inferior de las uniones;

implementando una fuerza de remachado de: a) 4300 lb, b) 5300 lb y c) 5800 lb. ......... 58

Figura 4.28. Esfuerzos de Von Mises en la unión, implementando una holgura inicial de: a)

0.0 in (0.0 mm), b) 2.362x10-3 in (0.06 mm), c) 3.937x10-3 in (0.1 mm) y d) 11.812 x10-3

in (0.3 mm). ................................................................................................................... 61

Lista de figuras

CENIDET vi

Figura 4.29. Deformaciones plásticas en dirección vertical (eje Y) de la unión, implementando

una holgura inicial de: a) 0.0 in (0.0 mm), b) 2.362x10-3 in (0.06 mm), c) 3.937x10-3 in

(0.1 mm) y d) 11.812 x10-3 in (0.3 mm). ........................................................................ 62

Figura 4.30. Incremento de la longitud de la zona de contacto en la región avellanada de la

unión, en función de la holgura inicial de: a) 0.0 in (0.0 mm), b) 2.362x10-3 in (0.06 mm),

c) 3.937x10-3 in (0.1 mm) y d) 11.812 x10-3 in (0.3 mm). .............................................. 63

Figura 4.31. Decremento de la longitud de la zona de contacto entre el cuerpo del remache y

las placas de unión, implementando una holgura inicial de: a) 0.0 in (0.0 mm), b)

2.362x10-3 in (0.06 mm), c) 3.937x10-3 in (0.1 mm) y d) 11.812 x10-3 in (0.3 mm). .... 64

Figura 4.32. Distribución de los esfuerzos radiales compresivos en la placa inferior de la

unión debido al contacto con el remache, implementando una holgura inicial de: a) 0.0 in

(0.0 mm), b) 2.362x10-3 in (0.06 mm), c) 3.937x10-3 in (0.1 mm) y d) 11.812 x10-3 in

(0.3 mm). ....................................................................................................................... 66

Figura 4.33. Distribución de los esfuerzos tangenciales de tensión en la unión,

implementando una holgura inicial de: a) 0.0 in (0.0 mm), b) 2.362x10-3 in (0.06 mm), c)

3.937x10-3 in (0.1 mm) y d) 11.812 x10-3 in (0.3 mm). .................................................. 68

Figura 4.34. Disminución de las deformaciones plásticas en dirección vertical, eje Y, de placa

inferior de la unión, implementando una holgura inicial de: a) 0.0 in (0.0 mm),

b) 2.362x10-3 in (0.06 mm). ........................................................................................... 69

Figura 4.35. Distribución de las deformaciones plásticas axiales (eje Y) en las placas,

aplicando un coeficiente de fricción de: a) 0.2, b) 0.34 y c) 0.54. .................................. 71

Figura 4.36. Disminución de la zona de contacto en la región de avellanado con respecto al

coeficiente de fricción en la unión, donde: a) 0.2, b) 0.34 y c) 0.54. .............................. 72

Figura 4.37. Disminución de la zona de contacto entre el cuerpo del remache y las placas

con respecto al coeficiente de fricción en la unión, donde: a) 0.2, b) 0.34 y c) 0.54. ..... 73

Figura 4.38. Nodos del remache, en color rojo, en la zona de contacto cuyos

desplazamientos radiales, sobre el eje X, después del proceso de remachado son

graficados. ..................................................................................................................... 73

Figura 4.39. Gráficas de los desplazamientos radiales del remache a lo largo de la zona de

interacción con las placas aplicando en la unión un coeficiente de fricción de: a) 0.2, b)

0.34 y c) 0.54. .......................................................................................................... 75

Figura 4.40. Nodos de la placa inferior en la zona de contacto, con color rojo, cuyos

esfuerzos radiales, sobre el eje X, son graficados. ........................................................ 75

Lista de figuras

CENIDET vii

Figura 4.41. Esfuerzos radiales compresivos en la zona de contacto de la placa inferior de las

uniones, aplicando un coeficiente de fricción de: a) 0.2, b) 0.34 y c) 0.54. .................... 77

Figura 4.42. Esfuerzos tangenciales de tensión en la placa inferior de las uniones,

implementando un coeficiente de fricción de: a) 0.2, b) 0.34 y c) 0.54. ......................... 78

Figura 4.43. Ubicación de los nodos entre los cuales se registró el movimiento relativo

vertical, eje Y, aplicando diferentes coeficientes de fricción en la unión. ........................ 79

Lista de tablas

CENIDET viii

LISTA DE TABLAS

Tabla 3.1. Definición de los parámetros geométricos de la unión remachada. ...................... 28

Tabla 3.2. Parámetros geométricos de la unión remachada. ................................................ 29

Tabla 3.3. Comparación entre los resultados analíticos y numéricos. ................................... 31

Tabla 4.1. Materiales usados en el modelo de estudio y sus propiedades. ........................... 35

Tabla 4.2. Materiales usados en los modelos de estudio y sus propiedades. ....................... 37


Tabla 4.4. Materiales usados en el modelo de estudio y sus propiedades. ........................... 50

Tabla 4.5. Restitución elástica del remache relativa a la deformación longitudinal total del

mismo bajo diferentes cargas. ....................................................................................... 53

Tabla 4.6. Máximos esfuerzos tangenciales de tensión en la placa inferior de las uniones al

aplicar en el proceso de remachado una fuerza de: 4300 lb, 5300 lb y c) 5800 lb. ........ 59


Tabla 4.8. Máximos esfuerzos radiales compresivos entre el cuerpo del remache y las

placas, implementando una holgura inicial de: 0.0 in (0.0 mm), 2.362x10-3 in (0.06 mm),

3.937x10-3 in (0.1 mm) y 11.812 x10-3 in (0.3 mm). ...................................................... 67

Tabla 4.9. Máximos esfuerzos tangenciales de tensión en las placas, implementando una

holgura inicial de: 0.0 in (0.0 mm), 2.362x10-3 in (0.06 mm), 3.937x10-3 in (0.1 mm) y

11.812 x10-3 in (0.3 mm). .............................................................................................. 68

Tabla 4.10. Coeficientes de fricción usados en el estudio paramétrico. ................................ 70

Tabla 4.11. Materiales usados en el modelo de estudio y sus propiedades. ......................... 70

Tabla 4.12. Restitución elástica del remache relativa a la deformación longitudinal total del

mismo bajo diferentes coeficientes de fricción. .............................................................. 71


aplicar un coeficiente de fricción de: a) 0.2, b) 0.34 y c) 0.54. ....................................... 79

Tabla 4.14. Desplazamientos de los nodos seleccionados, variando el coeficiente de fricción

en la unión. .................................................................................................................... 80

Tabla 5.1 Efectos de las variaciones paramétricas en la unión. ............................................ 85

Capítulo 1 Estado del arte

CENIDET 1

CAPÍTULO 1

CAPITULO 1

1. Estado del arte

En virtud de la amplia gama de aplicaciones y a la gran versatilidad para unir todo tipo de

materiales, facilidad y ahorro de tiempo que ofrecen en su ejecución; se han hecho

investigaciones en diferentes partes del mundo acerca de las uniones remachadas;

investigaciones que resultan importantes para el desarrollo de este trabajo. De este modo, se

presenta a continuación las principales contribuciones de dichas investigaciones clasificadas

en subtemas de interés.

1.1. Influencia del proceso de remachado

Las investigaciones relacionadas con el proceso de remachado pueden ser clasificadas de

acuerdo a las siguientes categorías.

Distribución de la carga en la unión remachada.

Daño por fretting en la unión.

Esfuerzos residuales en la unión.

Factores que afectan la vida útil de la unión.

Efectos de la variación de la fuerza de apriete en el formado del remache y la

resistencia a la fatiga.

Los puntos anteriormente señalados han sido principal objeto de investigación en el

desempeño de las uniones remachadas, algunas de las cuales se muestran a

continuación.

1.1.1. Distribución de carga en la unión remachada

En la aplicación de las uniones remachadas, la carga aplicada es transferida por cortante en

el remache y a través de fricción entre las placas unidas. Todos los bordes, como el agujero

del remache, actúan como zona de concentración de esfuerzos [1]. Una transferencia de

carga no uniforme por fricción, combinado con una concentración de esfuerzos debido a los

agujeros y una flexión secundaria de las placas origina una compleja distribución de

esfuerzos en tres dimensiones. Eastaugh et. al.[2]; encontró que la distribución de esfuerzos

es causado por una la combinación de las siguientes cargas:


CENIDET 2

1. Tensión biaxial en las placas.

2. Vástago cargado en el agujero, debido a la transferencia de carga por cortante del

remache.

3. Fuerza de apriete aplicada por el remache sobre las placas.

4. Cortante superficial en el interior de la zona de apriete del remache debido a la

transferencia de carga por fricción.

5. Presión interna en el agujero debido a la expansión del remache, causando

posiblemente deformación permanente.

6. Flexión fuera del plano debido a la superficie apoyada y excentricidad de la unión.

Las anteriores fuentes generadoras de esfuerzos y la concentración de esfuerzos causada

por el agujero, incrementan los esfuerzos por encima del esfuerzo de fluencia bajo

condiciones normales de operación, resultando en la falla del remache y la propagación de

grietas en las placas [1]. Cuando las uniones remachadas son sujetas a cargas cíclicas

repetidas, el efecto de concentración de esfuerzos producirá grietas por fatiga y finalmente

las uniones remachadas fallarán por desgarramiento de las placas o cizallamiento del cuerpo

del remache. Es por lo anterior que resulta de gran importancia el estudio de los esfuerzos

residuales y la determinación de acciones para controlaros durante el proceso de ensamble

de las uniones, a fin de evitar fallas que puedan resultar en situaciones de peligro durante la

aplicación.

1.1.2. Daño en zonas de contacto de las uniones remachadas

El fenómeno de fretting es un proceso de daño superficial que ocurre a causa de la

aplicación de cargas repetidas en una estructura, la fatiga por fretting causa pequeños

deslizamientos en las superficies de contacto, lo cual es una de las mayores causas de

iniciación de grietas por fatiga en las uniones remachadas. Algunos de los parámetros que

resultan importantes para la generación de daño por fretting, según Jack A. Collins [3], son:

1. La magnitud del movimiento relativo entre las superficies en fretting.

2. Magnitud y distribución de presión normal entre las superficies en fretting.

3. El estado de esfuerzos en la región de superficies en fretting.

4. Números de ciclos del fenomeno fretting.

5. Temperatura de las superficies en fretting.

6. Condiciones ambientales alrededor de las superficies en fretting.

7. El material de los miembros que se encuentran en fretting.

Así también, aseveró el hecho de que el daño por fretting puede ser reducido mediante un

incremento en la presión normal a las superficies en fretting; lo cual contribuye a minimizar el

movimiento relativo entre las placas unidas.


CENIDET 3

1.1.3. Esfuerzos residuales en uniones remachadas

Los primeros datos para la medición de esfuerzos residuales en torno del remache y la placa

debido al proceso de remachado fueron proporcionados por Fitzgerald et al. [4]. Propusieron

un nuevo método para la medición de esfuerzos residuales, usando una técnica de difracción

de rayos-X. Durante el proceso de remachado, cuando una fuerza es aplicada al remache

para el formado de la cabeza de apriete, su diámetro es expandido contra el agujero,

desarrollando la forma de un barril dentro del agujero. Se forma entonces una cabeza en la

parte protuberante final del remache, formando una fuerza de apriete. Si el agujero es

cargado elásticamente, el material adjunto estará sujeto a tensión; por otro lado, si ocurre

una deformación plástica, el esfuerzo residual es compresivo. Los esfuerzos radiales,

entonces, incrementan conforme la fuerza del remachado es aumentada.

Fitzgerald et al. [4] encontró que a cargas relativamente pequeñas en los remaches, los

esfuerzos tangenciales del aro son casi constantes en la cabeza del remache; mientras que

en la placa, en la interface remachada, los esfuerzos son a tensión; esto es esperado para

una carga que produzca deformaciones elásticas en la pared del agujero del remache. Para

altas fuerzas en el remache, hay una compresión en la interface remachada de la placa, toda

la pared del agujero se encuentra esforzada plásticamente, es decir, existen esfuerzos

provocando deformaciones plásticas y se encuentra entonces, el mayor nivel de esfuerzos

en la cabeza del remache y en la placa unida.

Ozdemir A.T.; Wang D.Q. y Edwards L. [5] Implementaron el método de difracción de

neutrones para proporcionar datos acerca de la distribución tridimensional de los esfuerzos

residuales después del trabajo en frio de perforado y avellanado del agujero para el

remache, la técnica involucró deformaciones plásticas en el agujero al incrementar el

diámetro permanentemente. Se encontró que el área alrededor del agujero presentó

esfuerzos residuales de compresión. La deformación plástica del agujero con esfuerzos

radiales y circunferenciales de compresión conduce a la mejoría de la resistencia a la fatiga

ya sea por reducción o supresión de iniciación de fractura así como la reducción de la tasa

de crecimiento de grieta por fatiga.

1.1.4. Factores que afectan la vida útil de una unión remachada

Existen parámetros en las uniones remachadas como: el número de remaches dispuestos en

la unión, la distancia de colocación entre los remaches y las fronteras de las placas; la

distancia entre los remaches (de vástago a vastago) y el diámetro de los remaches; los

cuales son diseñados para garantizar la resistencia mecánica de la unión, es decir, para su

operación de forma segura. Estos parámetros dependen fundamentalmente de las

propiedades mecánicas y geométricas de las placas metálicas, y del remache en cuestión.

Existen reglas estandarizadas sobre la configuración de uniones remachadas que

proporcionan la distancia ente los remaches y las fronteras de las placas a unir; las

distancias remache-remache, el diámetro de los remaches y espesor de las placas a unir [6].


CENIDET 4

Smith [7] realizó un estudio experimental acerca de los factores que influyen ó afectan la

vida útil de la unión remachada. Los resultados mostraron que una disminución en la carga

por cada remache puede ser logrado al usar distancias más pequeñas entre los remaches en

el proceso de remachado.

Heywood [8] analizó diversos parámetros que afectan la resistencia a la fatiga de la unión

remachada en los principales tipos de aleaciones de aluminio, como son: los esfuerzos

promedio, el tipo de aleación de aluminio de la unión, parámetros dimensionales y arreglo o

configuración de los remaches usando datos ya publicados por otros estudios. Encontró que

los esfuerzos promedios de tensión, tienen un pequeño efecto en los esfuerzos alternantes

permisibles para uniones remachadas a traslape. La resistencia a la fatiga en uniones

hechas de aleación de Aluminio-Cobre 24S-T fueron mayor que aquellas hechas de una

aleación de Aluminio-Zing, Magmesio (Al-Zn-Mg) 75S-T; el espesor de la placa, el diámetro

del remache y el espaciamiento entre ellos fueron los parámetros dimensionales más

importantes; y ciertos arreglos de los remaches fueron beneficiosos a la fatiga y

recomendados.

Andrews y Hold [10] concretaron algunos resultados de pruebas de fatiga en uniones a

traslape y llegaron a la conclusión de que la resistencia a la fatiga en uniones remachadas

con agujeros taladrados llana o simplemente es mayor que las uniones con máquinas de

agujeros avellanados.

Seliger [11] investigó los efectos de la separación de los remaches en la resistencia a la

fatiga de uniones remachadas a traslape con una fila de remaches; los resultados mostraron

que la mayor resistencia a la fatiga por pulgada lineal de unión es obtenida en la separación

entre remaches más pequeña para un numero constante de ciclos a la falla.

Holt [12] realizó pruebas de fatiga por cortante en uniones remachadas a traslape de varios

tipos, encontrando que ninguna placa aleada mostró alguna concreta superioridad sobre

todas las demás y que los remaches de cabeza protuberante en agujeros barrenados son

superiores a los remaches de cabeza embutida hechos en una máquina de agujeros

avellanados.

Eckvall [13] elaboró un modelo simple por medio del método de elemento finito para el

análisis de esfuerzos de una unión con la finalidad de determinar los esfuerzos y

deformaciones locales en la zona critica de fatiga de una unión remachada a traslape o

empalmada. Entonces las predicciones de la vida útil por fatiga basados en los esfuerzos

locales en el punto crítico fue hecho usando la norma de resistencia de esfuerzo efectivo, la

vida de fatiga predicha y la experimental fueron comparadas. En el modelo simple por

elemento finito que desarrollo; los remaches fueron modelados solamente mediante tres

constantes de resorte correspondientes a la rigidez debido a una carga axial, una carga

cortante y un momento flexionando aplicado al remache. El contacto entre el remache y las

placas fue ignorado.

Amarendra[14] realizó un modelado por elemento finito y un estudio experimental del

fenómeno de fatiga en uniones remachadas aplicadas en aeronáutica. Este trabajo plantea


CENIDET 5

un vínculo entre los parámetros críticos de proceso de remachado, efectos tales como

defectos en el agujero del remache, la presencia de sellador y de escombros, la

interferencia del remache y cómo las variaciones del proceso de fabricación afectan el

estado de esfuerzos residuales y el potencial de daño por fatiga en la articulación. Encontró

que defectos en el proceso de remachado como lo es, el des alineamiento de la unión, la

presencia de residuos del taladrado y defectos en el agujero del remache; provocan una

deformación asimétrica en el remache lo cual llevó a un considerable incremento en los

esfuerzos circunferenciales de tensión.

1.1.5. Efecto de la fuerza de apriete en el formado de los remaches y la resistencia a la fatiga

de la unión

Una mayor fuerza de apriete en la unión remachada provee un mejor llenado en el agujero y

una mejor fijación entre las dos placas. Según los estudios de Muller [15] este llenado en el

agujero significa que la distribución de presión en el apoyo en la dirección del espesor se

vuelve uniforme. Un efecto de llenado intensivo expande el agujero del remache; esto implica

una especie de pre-esfuerzo el cual es favorable en para la reducción de esfuerzos locales

en el borde del agujero; en otras palabras, un ajuste más estrecho del agujero del remache,

disminuye la concentración de esfuerzos. El apriete resulta benéfico ya que también provee

una menor transferencia de carga por fricción entre las superficies en contacto. El trabajo

hecho por Muller[15] fue extendido por Szolwinski y Farris [16] al analizar una fuerza de

apriete controlada aplicada cuasi estáticamente, esto realizado mediante el método de

elemento finito, usando un modelo 2d tipo axisimétrico, el cual fue validado

experimentalmente al aplicar fuerzas de diferente magnitud en placas de aluminio (2117 T4 y

2024 T3); encontrando que al incrementar la fuerza de apriete, la magnitud de los esfuerzos

residuales de compresión, en la interferencia radial entre la placa y el remache, era

incrementada también debido a la expansión del remache contra la pared del agujero. Este

esfuerzo circunferencial de compresión contrarresta los esfuerzos en las grietas, retardando

la propagación de estas.

Like Szolwinski, Li et al. [17] analizaron la deformación de la cabeza del remache, los

esfuerzos residuales inducidos, deformaciones e interferencia en las placas unidas

sometidas a diferentes fuerzas de apriete, mediante la aplicación del método del elemento

finito, aplicando específicamente un modelo bidimensional axisimétrico, desarrollado para

simular el proceso de remachado; para el desarrollo de la investigación, usaron placas de

aluminio (2024 T3) y remaches de aluminio (2117 T4), aplicando durante el remachado

cargas en el rango de 12000 lbf hasta14000 lbf. Llegaron a la conclusión de que la fuerza de

apriete fue el factor más importante en el proceso de remachado. Desarrollaron un modelo el

cual puede ser usado para determinar el diámetro de la cabeza impulsada del remache y la

altura de esta con una fuerza de apriete conocida. La simulación numérica mostró que el

apriete entre la placa exterior y el remache era más débil que la placa interior; debido a esto,

las grietas por fatiga generalmente comienzan en la superficie de contacto y el borde del

agujero, y se propagan en la placa exterior.


CENIDET 6

Harris et al. [18] Realizó un estudio aplicado al fuselaje en aeronáutica con el objetivo de

caracterizar el daño en múltiples sitios de la unión del fuselaje mediante la formulación de

una base de datos sobre el inicio y crecimiento de grietas por fatiga de los remaches. En el

mecanismo de iniciación de fractura incluyó altos esfuerzos locales, rozamiento a lo largo de

las superficies en contacto y defectos de manufactura creados durante el proceso de

remachado. Con el fin de predecir la resistencia a la fatiga de una junta de solape en una

estructura de fuselaje, los esfuerzos globales, locales; y análisis de mecanismos de fractura,

se requirieron:

1. Análisis de esfuerzos globales y locales de la unión traslapada en la estructura del

fuselaje.

2. Análisis de esfuerzos elásticos locales de un agujero de remache cargado.

3. Análisis del factor de intensidad de esfuerzo para fracturas en el agujero del remache

con cargas críticas.

4. Análisis de fatiga basado en mecánica de la fractura y teoría de pequeñas grietas.

5. Análisis de fuerzas residuales basado en análisis no lineal de mecánica de la

fractura.

Se realizó un modelo por elemento finito de cada uno de los puntos anteriores, mediante el

uso de un software comercial; por otro lado, en laboratorio, se hicieron pruebas de fatiga de

las uniones remachadas con remaches de vástago recto y remaches avellanados.

Finalmente, se compararon los resultados de los valores predichos analíticamente para el

crecimiento de grietas de fatiga, los cuales resultaron muy de acuerdo con los resultados

experimentales.

Otro estudio que además de considerar los efectos de la fuerza de apriete sobre la unión

remacha, consideró el efecto del número de filas de remache en la unión, fue el que hicieron

Fung y J. Smart [19] considerando uniones sometidas a cargas cíclicas alternantes,

plasticidad y geometría no lineal. Los estados deformados de las uniones fueron presentados

junto con los efectos de la variación de la fuerza de cierre o apriete, el ajuste de interferencia

del remache, el coeficiente de fricción y la geometría de las uniones, cuando éstas están

sometidas a varias historias de carga. Desarrollaron un modelo tridimensional de elemento

finito de uniones a traslape con una y dos filas de remache, encontrando que la fuerza de

sujeción, interferencia en el agujero del remache, coeficiente de fricción, anchura y espesor

de la placa, y la amplitud de esfuerzo, afectan el rango de deformación total y al esfuerzo

efectivo, pero los efectos de la altura de la placa y el esfuerzo promedio, no son

significativos. Se encontró finalmente que el rango de deformación total y de esfuerzos

efectivos son reducidos, y por tanto la resistencia a la fatiga es incrementada con un

aumento en la fuerza de apriete, ajuste de interferencia y coeficiente de fricción pero con un

decremento de anchura, espesor de la placa y de amplitud de esfuerzo.


CENIDET 7

Fung y J. Smart, realizaron una segunda investigación acerca de uniones remachadas a

traslape [20], en este caso, se limitaron a desarrollar una forma de predecir la resistencia a la

fatiga de las uniones a traslape con una y dos filas de remaches. La predicción de la fatiga

se llevó a cabo mediante las leyes de fatiga, empleando ya sea el rango local de

deformación total o esfuerzo efectivo obtenido del análisis por elemento finito y datos

obtenidos de las pruebas de fatiga de placas con agujeros. Los modelos de elemento finito

fueron desarrollados tomando en cuenta cargas cíclicas, plasticidad y geometría no lineal.

Las fallas fueron examinadas metalúrgicamente y proporcionaron evidencia de daño por

fretting. En este trabajo se encontró, basándose en estas técnicas de modelado, el rango

total de deformación y el esfuerzo efectivo; la resistencia a la fatiga de uniones remachadas

fue predicha a partir de placas con agujeros de llanura abierta. La predicción de resistencia a

la fatiga para placas con agujeros avellanados y uniones con dos filas de remaches, basado

en la curva de fatiga determinada de los datos de placas con agujeros planos resultaron

buenas a pesar de que las predicciones para uniones con una fila de remaches podrían ser

mejor, pensando que el fenómeno de fretting es una razón importante. Se encontró que

todos los puntos de datos se encuentran dentro de una banda estrecha usando la regla de

resistencia a la tensión aunque la banda es más amplia cuando se utiliza la regla de

resistencia al esfuerzo efectivo, pero es casi imposible predecir la resistencia a la fatiga

desde un tipo de espécimen a otro usando la regla convencional de resistencia de esfuerzos.

Capítulo 2 Proceso de remachado

CENIDET 8

CAPÍTULO 2

CAPITULO 2

2. Proceso de remachado

Las uniones a través de remaches son encontradas en gran variedad de aplicaciones debido

a la gran versatilidad para unir todo tipo de materiales, facilidad y ahorro de tiempo que

ofrecen en su ejecución. Las uniones remachadas se caracterizan por su amplia eficiencia

para transmitir cargas entre sus elementos y de soportar esfuerzos cortantes. Por otro lado,

es importante mencionar que existe una gran diversidad de remaches, en cuanto a formas y

materiales, lo cual permite satisfacer todo tipo de necesidades. Algunas de las aplicaciones

de las uniones remachadas van desde uniones de elementos en el hogar, uniones de

madera en carpintería, aplicaciones de ensamble en la industria de la construcción,

ensamble de motores y estructuras metálicas en la industria automotriz, hasta la aplicación

en fuselajes de aviones en la industria aeronáutica.

En este capítulo se describen y clasifican los diferentes tipos de remaches, así como el

proceso de remachado que cada uno de estos remaches involucra para la realización de la

unión.

Posteriormente se hace una descripción detallada del proceso de remachado de interés para

este estudio. Se presentan algunas recomendaciones y tolerancias que deben ser tomadas

en cuenta durante el maquinado de la unión, lo cual lleva a la descripción del tipo de ajuste

inicial entre el remache y las placas. Adicionalmente se muestran los defectos que pueden

presentarse durante el maquinado de las uniones remachadas y los tipos de fallas más

comunes. Para finalizar este capítulo se muestran algunos ejemplos de aplicaciones de este

tipo de uniones.


CENIDET 9

2.1. Tipos de remaches

Aunque los fabricantes de remaches tienen su propia clasificación del producto, en general;

los remaches pueden ser clasificados de la siguiente manera.

Por su aplicación: En estructurales y no estructurales.

Por su resistencia: En alta resistencia y baja resistencia.

Por su principio de funcionamiento: De rotura de vástago, sólidos, semitubulares; y

auto perforantes.

Por la forma de la cabeza: En cabeza redonda, cabeza plana, cabeza embutida, gota

de cebo y universal.

El tipo de clasificación más versátil es el que se hace a través del tipo de funcionamiento,

que como se mencionó anteriormente son los siguientes:

2.1.1. Remaches de rotura de vástago

Se caracterizan por un vástago el cual atraviesa el cuerpo del remache, tiene un extremo

que termina en forma esférica y que sirve para producir la deformación del remache; el otro

extremo es de sección transversal constante, parte en donde es acoplada la herramienta

utilizada para el proceso de remachado, el cual, se describe a continuación y se ilustra en la

figura 2.1.

1. El remache se inserta en un barreno previo sobre las piezas a unir

2. Las mordazas de la remachadora sujetan el vástago del remache.

3. Se acciona la remachadora fraccionando el vástago, para generar la expansión del cuerpo y conformar la cabeza secundaria.

4. Se corta el vástago del remache al ras de la cabeza del mango.

Figura 2.1. Proceso de remachado [21].


CENIDET 10

2.1.2. Remaches autoperforantes

Una característica especial y única de este tipo de remache, es que a diferencia de todos los

demás, no necesita un barreno previo para la instalación del mismo, como en el caso

mencionado con anterioridad. Este está diseñado para punzonar y remachar firmemente en

una sola operación rápida, simplificando el ensamblaje y reduciendo los costes,

proporcionando uniones fuertes y seguras; dichas características, lo impulsan a ser un medio

útil en la automatización de procesos de ensamblajes. El proceso de remachado, se lleva a

cabo mediante los siguientes pasos y se ilustra en la figura 2.2.

1. El remache se inserta en la boquilla de la maquina neumática y los materiales a

remachar se colocan sobre la matriz de estampado.

2. Se acciona la máquina para mover el remache hacia los materiales de unión.

3. Cuando el remache entra en contacto con los materiales de unión, se inicia el

proceso de perforado que se deriva de las características geométricas del remache y

la fuerza ejercida por la máquina.

4. Debido a la fuerza ejercida por la máquina y a las características geométricas del

remache y la matriz; se ejerce una deformación en los materiales de unión, es decir,

un estampado.

5. La fuerza de remachado aumenta hasta lograr la forma completa de los remaches y

los materiales de unión en la matriz y lograr así, la fijación de la unión.

Figura 2.2. Proceso de remachado con remaches autoperforantes [22].


CENIDET 11

2.1.3. Remaches sólidos y semi-tubulares

Como su nombre lo indica, los remaches solidos se caracterizan por tener solida y constante

toda la sección transversal a lo largo del cuerpo del mismo; y variando en ellos, las

longitudes, diámetros, tipo de material y forma de la cabeza con la que son fabricados

(figura 2.3). Por otro lado, los remaches semitubulares, se caracterizan por tener solida una

parte del cuerpo de este y de sección tubular el resto de la sección; siendo la sección tubular

la que se somete a deformación durante el proceso de remachado (ver figura 2.4).

a) b)

El proceso de remachado para los remaches tipo sólidos y los remaches tipo semitubulares

es en esencia el mismo; lo cual consiste en:

1. Barrenado de los materiales o piezas a unir de acuerdo al diámetro del remache a

utilizar y así mismo, atendiendo las recomendaciones del fabricante.

2. Inserción del remache en el barrenado de los materiales de unión.

Figura 2.3. Remaches tipo sólidos [23].

Figura 2.4. Remaches tipo semitubulares; (a) sección de revolución [24], (b) remaches semitubulares de diferentes dimensiones [25].


CENIDET 12

3. Aplicación de la fuerza de apriete a través de dos piezas consideradas rígidas para la

formación de la cabeza secundaria del remache (usualmente mediante equipos

neumáticos).

Este procedimiento se ilustra esquemáticamente en la figura 2.5.

Es importante destacar que la diferencia en el proceso de remachado entre los remaches

sólidos y semitubulares radica en la forma de las piezas rígidas (buterolas) empleadas para

aplicar la fuerza de remachado durante el proceso; siendo rectas y de superficie de contacto

plano para los remaches sólidos (ver figura 2.6a); recta con superficie de contacto con

protuberancia abombada (ver figura 2.6b); y recta con superficie de contacto abombada

ranurada (ver figura 2.6c); para remaches semitubulares, dependiendo de la longitud del

remache utilizado.

a) b) c)

Figura 2.5. Proceso de remachado para remaches tipo sólidos y semitubulares [26]; donde: a) inserción del remache en el agujero de las placas, b) aplicación de la fuerza de apriete, c) unión

terminada

Figura 2.6. Buterolas empleadas para el proceso de remachado con remaches: (a) sólidos, (b) semitubulares largos, (c) semitubulares cortos [27].

a)

b)

c)


CENIDET 13

2.1.4. Tipos de cabezas de remaches

En la industria, existen diversidad de tipos de remaches que además de variar en su forma,

como se mencionó anteriormente, varían en la forma de la cabeza, ofreciendo ventajas

adicionales en diferentes aplicaciones o satisfaciendo requerimientos particulares como lo es

en la industria aeronáutica, en donde el uso de los remaches como método de unión es muy

extenso y las protuberancias en la superficie del fuselaje de naves espaciales y

principalmente en aviones es completamente indeseable; por tal motivo, son implementados

los remaches sólidos con cabeza tipo avellanada (figura 2.7).

Dentro de los tipos de cabeza de remaches más comunes se encuentran: remaches de

cabeza avellanada, cabeza universal, cabeza plana y cabeza redonda. Algunos criterios

utilizados para la selección del tipo de cabeza del remache son los siguientes:

Cabeza universal: Usado para la fabricación y reparación de partes externas e

internas. En algunas ocasiones pueden sustituir a los de cabeza saliente (plana o

redonda).

Cabeza redonda: se usan en partes interiores, la cabeza está diseñada de tal forma

que puede soportar esfuerzos a tracción.

Cabeza plana: Se aplican en partes interiores de estructuras cuando se requiere el

máximo de resistencia a la tracción y comúnmente cuando no existe suficiente para la

colocación de remaches de cabeza redonda. En partes exteriores es raramente

utilizado.

Cabeza avellanada: Utilizado para la fijación de chapas sobre chapas o perfiles y es

mayormente aplicado en superficies exteriores debido a su baja resistencia

aerodinámica.

Debido a la gran variedad de remaches que existen respecto de forma de cabeza, material y

dimensiones; y también a su gran aplicación en la industria aeronáutica, naval, automotriz y

estructural, entre otras; se han hecho clasificaciones que permiten la identificación de

algunos remaches en función de los parámetros mencionados anteriormente. Dichas

clasificaciones se han realizado poniendo marcas en la cabeza del remache en cuestión. Un

ejemplo de lo anterior se ilustra en la figura 2.8.

Figura 2.7. Remache solido con cabeza tipo avellanada [24].


CENIDET 14

2.1.5. Ajustes y tolerancias de unión

Al tratar el tema de fabricación de piezas, necesariamente se tiene que abordar también el

temas de las tolerancias de maquinado que cada fabricante maneja en el control de calidad

de sus productos. Tomando en cuenta que inicialmente existe una relación de ensamble en

el proceso de remachado al colocar el remache en el barreno de las piezas a unir, debe

mencionarse entonces a esta relación, relación de ajuste; la cual según las tolerancias

manejadas en remache y las recomendadas por cada fabricante para el diámetro del

barreno, puede ser: ajuste perfecto, unión con holgura o ajuste a presión mediante la

aplicación de una fuerza F que provoca una precarga P en la unión (ver figura 2.9).

Figura 2.8. Parámetros de identificación de remaches comunes [28].


CENIDET 15

Debido a que en el proceso de remachado se presentan deformaciones elasto-plásticas, se

vuelve tema de importancia el tipo de ajuste inicial entre el remache y las placas, en virtud de

que esto influye directamente en las porciones elásticas y plásticas de la deformación total

del remache.

En una unión en la cual existe ajuste con holgura, el remache tiene la posibilidad de

experimentar una mayor deformación en el rango plástico al llenar por completo la porción de

espacio vacío entre este y el agujero de las placas. Puede suponerse que al disminuir el

claro entre el remache y las placas, las deformaciones plásticas en el cuerpo del remache

tienden a disminuir dejando una mayor proporción de las deformaciones en el rango elástico.

Una mayor cantidad de deformaciones plásticas en la unión puede conducir a un incremento

en la magnitud de los esfuerzos residuales que pudiesen existir después del proceso de

remachado; por otro lado, en el caso de una unión con ajuste inicial a presión se hace

importante considerar que la unión, incluso antes del proceso de remachado, se encuentra

inicialmente esforzada y que estos esfuerzos iniciales, se sumarian a aquellos generados

durante el proceso de remachado afectando significativamente la calidad e integridad de la

unión.

De lo anterior, se deduce la importancia de tomar en consideración las recomendaciones de

los fabricantes para el diseño y/o análisis de una unión remachada, un ejemplo de estas

recomendaciones se ilustra en la figura 2.10.

Figura 2.9. Tipos de ajuste en uniones remachadas: (a) ajuste perfecto; (b) unión con holgura; (c) ajuste a presión.


CENIDET 16

2.1.6. Defectos en el proceso de remachado

Durante el proceso de maquinado de la unión, pueden generarse defectos, ya sea por

factores humanos durante la ejecución o por calibración defectuosa en las herramientas

usadas por el personal o en procesos automatizados de ensamblaje. Estos defectos son

regulados a través de tolerancias y posteriormente en un proceso de control de calidad y son

producidos comúnmente por errores de perpendicularidad, movimientos indeseados durante

el proceso de taladrado de los materiales, y descentralización de los agujeros en las placas

durante el ensamblaje de la unión. Otras situaciones no deseables que pueden presentarse

durante el maquinado de la unión son: perforación asimétrica en las placas; remoción de

material en las placas, desalineamiento inicial en el ensamble y en ocasiones, presencia de

residuos no deseables en la unión. Las situaciones que se mencionan, se ilustran

esquemáticamente en la figura 2.11.

Figura 2.10. Especificaciones técnicas de remaches [29].

(a) (b) (c) (d)

Figura 2.11. Defectos en el proceso de remachado, donde: (a) perforación asimétrica en las placas, (b) remoción de material en las placas, (c) desalineamiento en el ensamble; (d) presencia de residuos

en la unión.


CENIDET 17

2.2. Clasificación de las uniones remachadas

Las uniones remachadas se diseñan y realizan en dos configuraciones fundamentales:

uniones remachadas a traslape y uniones remachadas a tope o doble cubrejuntas (ver figura

2.12).

a) b)

Cabe mencionar que la determinación del tipo adecuado de unión queda a consideración del

diseñador puesto que la unión a traslape es la más sencilla y económica, sin embargo,

debido a que el remache trabaja en cortante simple, se necesitan materiales más resistentes

en comparación a la unión en doble cubrejuntas.

Por otro lado, la unión a traslape presenta una excentricidad en la carga de tensión debido a

la propia geometría de la unión, como se puede observar en la figura 2.11a. Esta

excentricidad genera un momento flexionante secundario en la unión, desde luego

indeseable, y que aumenta respecto del espesor de las placas remachadas. El momento

flexionante secundario puede ocasionar deformaciones no deseadas, incremento en los

esfuerzos permisibles para los cuales fue diseñada la unión y por lo tanto, comprometer la

integridad de la misma.

Desde luego, los problemas anteriormente descritos pueden ser evitados mediante la

implementación de una unión remachada a tope, sin embargo, este tipo de unión requiere de

un mayor consumo de material, es decir, más placas y remaches más largos, lo cual

incrementa el costo de la unión, esto sin mencionar que se tiene una unión geométricamente

de mayor tamaño que en ocasiones representa también un problema. Como se mencionó

antes, queda a consideración del ingeniero de diseño la elección del tipo de unión más

conveniente a implementar.

2.3. Tipos de fallas en uniones remachadas

En la literatura se especifica en general que las uniones remachadas fallan por distintas

razones, las más conocidas se muestran en la figura 2.13.

Figura 2.12. Unión remachada, donde: (a) traslape; (b) tope o doble cubrejuntas [30].


CENIDET 18

Existe otro aspecto importante en los modos de falla que comúnmente no es tratado en la

literatura, esto es, la falla por fatiga. Es importante mencionar que independientemente de

las cargas fluctuantes a las que pueda estar sometida la unión, existen factores que pueden

afectar de manera importante su resistencia a la fatiga. Estos factores son derivados del

proceso de remachado al efectuar la unión, dentro de los cuales se pueden considerar:

existencia de residuos resultantes de la perforación de la placa u objetos extraños en la zona

de contacto entre remache y las placas; juego entre el remache y las placas unidas;

esfuerzos residuales resultantes del proceso de remachado. De lo anterior surge la

importancia de realizar un estudio que tome en cuenta las consideraciones mencionadas.

2.4. Aplicaciones de las uniones remachadas

Las uniones remachadas tienen una gran variedad de aplicaciones, desde soluciones

domesticas como: bisagras de ventanas, bisagras de puertas de vidrio y servidores; puertas

de garaje, aplicaciones de madera, fijación de equipos de altavoz, armarios, cercas,

electrodomésticos, equipos de iluminación e interruptores; hasta las aplicaciones industriales

como son: depósitos de presión, calderas de vapor, tanques, tuberías forzadas, vigas de

chapa y estructuras de barcos.

Así también se usa como uno de los procesos de sujeción principales en la industria

aeronáutica aeroespacial para unir el fuselaje de las aeronaves a canales y otras partes

estructurales.

Del mismo modo, en la industria automotriz se utiliza en parachoques, puertas de coches y

generalmente como sistema de unión en las carrocerías de aluminio en sustitución de la

soldadura por puntos de resistencia, pero su uso se ha extendido también a las de acero

Figura 2.13. Modos de falla en uniones remachadas: a) por el cizallamiento del remache; b)

desgarramiento en alguna de las placas de la unión; c) por deformación debido a la compresión que

el remache ejerce en la zona de contacto con la placa de unión; d) por corte en la zona de apoyo del

remache; e) por desgarre en el borde de la placa [30].


CENIDET 19

que, como en el caso del carro Opel Vectra C, requieren cierta precaución a la hora de

aplicar grandes cantidades de calor. Así mismo, en la industria de la automoción, las uniones

remachadas se encuentran en los sistemas de frenos y embragues, como métodos de unión

en los platos de presión y materiales de fricción entre otras partes de estos sistemas.

En la figura 2.14 se ilustran algunas de las aplicaciones de las uniones remachadas.

a) b) c)

a) b) c)

Figura 2.14. Aplicaciones de las uniones remachadas, donde: a) fuselajes de aeronaves [31], b) sujeción del material de fricción en frenos [32], c) plato de embrague [33], d) Carcasas de aires

acondicionados [34], d) aplicación estructural [34], e) ensamblaje de ventiladores [34].

Capítulo 3 Modelo discreto

CENIDET 20

CAPÍTULO 3

CAPITULO 3

3. Modelo discreto

En este capítulo se presenta una revisión de los tipos de remaches más comunes en

aplicaciones industriales y de los materiales empleados en su fabricación, así como sus

parámetros geométricos, tolerancias y parámetros para la determinación de la longitud

adecuada del mismo. En base al estudio paramétrico del problema se presenta el modelo

discreto; se detallan las propiedades y condiciones tomadas en cuenta para que el modelo,

en las simulaciones por elemento finito, represente el fenómeno físico elegido de la mejor

manera y lo más acercado a la realidad como sea posible.

Los parámetros base en el comportamiento de los materiales en el proceso de remachado

son las propiedades del material que en el caso del proceso de formado de la unión

remachada involucra deformaciones elasto-plasticas. Por lo tanto, se establece el modelo

apropiado para la caracterización del comportamiento de los materiales a implementar.

Finalmente se selecciona un remache tipo avellanado cuyas dimensiones son obtenidas del

catálogo del fabricante, se procede a la elaboración del modelo discreto y a su validación en

forma analítica.


CENIDET 21

3.1 Selección del remache a utilizar

Al hacer una revisión de los tipos de remaches que los fabricantes ofrecen, se

encontró que dentro de los más comunes están: los remaches tipo solidos de cabeza plana y

tipo solidos de cabeza avellanada y por otro lado, los remaches tipo semitubulares de

cabeza plana y semitubulares de cabeza avellanada. Estos tipos de remaches son

fabricados en diversos materiales que comúnmente son aleaciones de aluminio y acero.

Algunos de estos se ilustran en la figura 3.1.

Uno de los campos más amplios de aplicación de las uniones remachadas es el de la

industria automotriz, por tal motivo, se realizó una visita a la empresa “Frenos y Embragues

de Chiapas”; la cual se dedica a la venta, reparación e instalación de frenos y embragues.

Esta empresa permitió el acceso al taller en el cual son reparados dichos productos. Durante

esta visita, fue posible percatarse de la aplicación de los remaches semitubulares en el

remachado de zapatas de freno y de los remaches sólidos en el remachado de platos

embrague y zapatas de frenos de vehículos de carga (figura 3.2).

a) b)

Figura 3.2. Ejemplo de aplicaciones de las uniones remachadas, donde: a) Zapata remachada con remaches tipo semitubulares de cabeza avellanada; b) Disco de embrague remachado con remaches

tipo sólidos de cabeza plana [27].

Figura 3.1. Tipos de remaches [35].


CENIDET 22

Por otro lado, se tuvo a la vista la maquinaria usada para el proceso de remachado; de

principio de funcionamiento neumático, para remaches tipo sólidos y mecánico para

remaches tipo semitubulares.

Después de analizar las aplicaciones de los diferentes tipos de remaches, se seleccionó el

remache tipo solido avellanado como elemento de fijación para la unión remachada.

3.2. Unión seleccionada como objeto de estudio

El aluminio es un material muy versátil y abundante cuya aplicación es muy amplia y va

desde productos de uso doméstico hasta aplicaciones en partes automotrices, en la rama de

la construcción y de la industria aeronáutica por lo cual se eligió trabajar con este material.

Se consultaron diversos proveedores de metales en la región, encontrando que el aluminio

6061-T6 es una de las aleaciones de aluminio más utilizadas. Este tipo de aluminio ofrece

una buena resistencia mecánica combinada con una excelente resistencia a la corrosión;

teniendo una amplia aplicación en miembros estructurales, aplicaciones automotrices,

marcos marinos, vagones de ferrocarril y tuberías.

Una revisión bibliográfica reveló que las aleaciones aluminio-cobre clasificadas en la serie

2xxx[36] proveen una buena resistencia mecánica y dureza; las aleaciones más resistentes

de esta serie son empleadas ampliamente en aeronaves; así mismo, se encontró que

específicamente las aleaciones 2011, 2017 y 2117 son ampliamente usadas para la

fabricación de elementos de fijación[36].

Una vez establecidos los remaches más utilizados en la industria y los materiales con los

cuales son comúnmente fabricados, se procedió a la selección de la unión que constituirá el

modelo para el estudio del proceso de remachado.

Se seleccionó aluminio 6061-T6 para los materiales de unión y aluminio 2117-T4 para el

elemento de fijación (remache). En virtud de que el aluminio 6061-T6 se vende en la

industria en diferentes presentaciones, se elige la más sencilla y fácil de encontrar; esto es,

solera con una sección transversal rectangular de 1 in de ancho y altura (t) de 0.125 in. Las

dimensiones del remache se eligieron en base a las especificaciones y dimensiones

estándar establecidos por el fabricante [28], de lo cual resultó, un remache de cabeza

avellanada con diámetro de vástago (D) de 0.1875 in, longitud total (L) de 0.5625 in y ángulo

de avellanado (α) de 100°. La configuración del modelo se ilustra en la figura 3.3.


CENIDET 23

3.3. Propiedades mecánicas de los materiales en la unión

Las propiedades del material para el remache fueron obtenidas mediante parámetros

deducidos de pruebas experimentales de tensión axial en muestras de aleaciones de

aluminio 2024-T3 y 2117-T4. Dichos parámetros fueron utilizados para la realización del

modelo por elemento finito y se muestran en la tabla figura 3.4.

dónde:

E, es el módulo de elasticidad.

V, es la relación de Poisson.

εy, es la deformación plástica.

εtrue, es la deformación verdadera del material.

C, es el coeficiente de resistencia.

m, es el coeficiente de endurecimiento por deformación.

L

t

D

e.s

α

Figura 3.3. Configuración dimensional del modelo de estudio.

Figura 3.4. Parámetros de propiedades de material usados en el modelo por elemento finito [37,17].


CENIDET 24

Los parámetros de propiedades de material usados para las placas de aluminio 6061-T6

fueron adquiridos de la curva esfuerzo deformación verdadero obtenida de pruebas

experimentales de tensión a diferentes velocidades de deformación como se muestra en la

figura 3.5

a) b)

3.4. Descripción del modelo discreto

El presente estudio se enfoca en el análisis de la influencia del proceso de remachado en la

integridad de la unión en base a un modelo por elemento finito. El modelo se compone de

tres partes deformables que son: dos placas de unión y el remache; y un cuerpo rígido

(buterola) que es la pieza con la cual se ejerce la fuerza de remachado. La buterola que

permanece estática y ejerce la fuerza de reacción, se simula mediante condiciones de

frontera en la cabeza del remache. Las partes que componen el modelo discreto son

elaboradas con elementos CAX4R (Elementos Axisimétricos de cuatro nodos con integración

reducida). Condiciones geométricas no lineales son aplicadas mediante la opción NLGEOM

debido a las altas deformaciones que en el proceso de remachado se involucran. El modelo

discreto y sus condiciones de frontera se ilustran en la figura 3.6.

Figura 3.5. Curva esfuerzo deformación efectiva del aluminio 6061-T6 probado a diferentes velocidades de deformación [38]; donde: a) curva esfuerzo deformación verdaderos; b) acercamiento

de las acotaciones.


CENIDET 25

Las superficies en los extremos laterales de las placas, del lado derecho, son restringidas a

moverse en dirección X mientras los nodos de las esquinas superior e inferior son

restringidos a moverse en dirección Y con la finalidad de prevenir movimiento de cuerpo

rígido. Los desplazamientos fueron restringidos en la superficie de la cabeza del remache

mientras una fuerza se aplica en el cuerpo rígido en contacto con el extremo del vástago del

remache.

Fuerza de apriete

Ux=0 sobre la línea

vertical amarilla

Uy=0 en las

esquinas

Uy=0


vertical amarilla

Remache

Placas de aluminio

Buterola

X

Z

Y

Figura 3.6. Modelo discreto 2D axisimétrico con 3 partes deformables, una buterola rígida y sus condiciones de frontera; donde: a) componentes de la unión con la malla, b) condiciones de frontera.

a)

b)


CENIDET 26

Las relaciones de contacto fueron definidas usando el algoritmo master-slave disponible en

Abaqus con la opción finite sliding. Las interacciones de contacto fueron modeladas entre el

remache y las superficies de contacto con las placas; entre el remache y la buterola; y

finalmente, entre las placas mismas; usando el modelo de fricción de Coulomb con un

coeficiente de fricción de 0.2 para todas las interacciones.

El proceso es simulado en dos pasos; uno de carga, en el cual el remache es deformado

debido a la aplicación de la fuerza de apriete y un paso de descarga, en el cual la fuerza de

apriete es retirada y el remache es libre de tener una recuperación elástica (sringback). La

forma final de la cabeza secundaria del remache predicha por el análisis de elemento finito,

es comparada con los resultados obtenidos de un método analítico en un rango de fuerzas

de apriete como medio de validación del modelo discreto.

3.5. Validación del modelo discreto

La validación del modelo discreto se realizó mediante la comparación con los resultados

obtenidos en base a la implementación de un método analítico [39]. El modelo analítico

mencionado separa el proceso de deformado del remache en dos fases: la fase de

deformación elástica, en la que el remache incrementa su área de sección transversal inicial

A a A′ al aplicar una fuerza Fe que es una fracción de la fuerza total aplicada en el proceso de

remachado Fp y que provoca deformaciones en el rango elástico; y la fase de deformación

plástica como se muestra en la que el remache adquiere su forma final bajo la acción de la

fuerza de remachado Fp. Esto se ilustra en la figura 3.7a y 3.7b respectivamente.

(a)

X

Z

Y

Placas de aluminio

A

'

Fe

A'

Buterola

Buterola

e.s.


CENIDET 27

b)

Considerando las propiedades geométricas iniciales del modelo (ver figura 3.8), se obtienen

las relaciones matemáticas que en base a la fuerza de apriete aplicada en el remache y a las

propiedades del material en cuestión, determinan el diámetro final de la cabeza secundaria

del remache al finalizar el proceso de remachado.

La nomenclatura de la figura 3.8 se describen en la Tabla 3.1.

Figura 3.7. Fases de deformación del remache: a) deformación elástica, b) deformación plástica

Figura 3.8. Dimensiones iniciales de la unión, utilizadas para la determinación analítica del diámetro final de la cabeza secundaria formada del remache al finalizar el proceso de remachado.

Placas de

aluminio

Fp

Buterola

Buterola

e.s.

Cabeza formada

del remache

X

Z

Y

X

Z

Y

ØD2

t1

l1

ØD1

t2

t3

l2

α

e.s.


CENIDET 28

Tabla 3.1. Definición de los parámetros geométricos de la unión remachada.

Nomenclatura Definición

D1 Diámetro inicial del vastago del remache.

D2 Diámetro de los agujeros en las placas a unir.

t1,t2 Espesor de las placas a unir.

t3 Altura de la forma cónica correspondiente al avellanado en la placa superior a unir.

l1 Longitud total del remache.

l2 Longitud del remache sin incluir la longitud de la cabeza avellanada.

α Ángulo de avellanado de la cabeza del remache.

En la fase de deformación elástica, las deformaciones en dirección Y en el remache

(longitudinales) de acuerdo al sistema coordenado mostrado en la figura 3.7a son

determinadas mediante la siguiente relación [39].

(3.1)

dónde:

es la deformación del remache en dirección Y.

es la maxima fuerza que puede aplicarse para producir solo deformaciones elásticas.

es el módulo elástico del material del remache.

El cambio de diámetro en el remache (deformación elastica en dirección X y Z), debido a la

deformación elástica longitudinal se calcula mediante la siguiente relación [39].

(3.2)

donde:

ϑ es la relación de Poisson.

es la deformacion elastica en el eje X.

La buterola continúa ejerciendo fuerza de tal forma que se rebasa el rango de deformación

elástica del material, comenzando a realizarse deformaciones plásticas en el remache.


CENIDET 29

Finalmente, la cabeza secundaria del remache quedará completamente formada en función

de una fuerza total de apriete Fp.

Como resultado, la buterola se habrá desplazado verticalmente cierta distancia s desde el

momento en que entra en contacto con el remache hasta el punto en el que termina el

proceso de remachado y se habrá formado la cabeza secundaria del remache con un

diámetro final Dp. Este metodo relaciona la fuerza de apriete aplicada en el proceso de

remachado y el diametro final de la cabeza secundaria formada en el remache al finalizar el

proceso de maquinado de la union mediante la siguiente expresión [39].

(3.3)

donde:

Dp es el diámetro final de la cabeza formada del remache.

D2 es el diametro de los agujeros en las placas a unir.

La deformación plástica longitudinal (en direccion Y) es calculada usando la siguiente

relacion ecuación [39].

(3.4)

Los parámetros geométricos necesarios para la realización de los cálculos analíticos

correspondientes de la unión a analizar, se presentan en la Tabla 3.2.

Tabla 3.2. Parámetros geométricos de la unión remachada.

Parámetro Valor

Diámetro inicial del vastago del remache, D1. 0.1875 in

Diámetro de los agujeros en las placas a unir, D2 0.1953 in

Espesor de las placas a unir, t1,t2. 0.125 in

Altura de la forma cónica correspondiente al avellanado en la placa superior a unir, t3.

0.070 in

Longitud total del remache, l1. 0.5625 in


CENIDET 30

De los resultados obtenidos mediante el análisis por elemento finito, se obtienen los

siguientes parámetros: diámetro final formado en la cabeza secundaria del remache Dp y la

deformación plástica longitudinal (dirección Y). Posteriormente se realiza una comparación

con los resultados obtenidos mediante el método analítico.

a) b)

Para la validación del modelo discreto, se realizaron simulaciones variando la fuerza de

apriete en el remachado, desde 3500 lb hasta 4300 lb manteniendo en la unión una holgura

inicial de 1.9685X10-3in (0.05mm). La Tabla 3.3 muestra la comparación entre los resultados

obtenidos mediante el método analítico y numérico.

Longitud del remache sin incluir la longitud de la cabeza avellanada, l2.

0.4925 in

Ángulo de avellanado de la cabeza del remache, α. 100º

Figura 3.9. Parámetros de los resultados del análisis por elemento finito usados para la comparación

con el método analítico; donde: a) diámetro final de la cabeza formada del remache (Dp), b) deformación plástica longitudinal del remache ( ).


CENIDET 31

Una mejor visualización de los resultados se muestra en las gráficas de la figura 3.10 en

donde se puede observar el comportamiento de la diferencia entre los resultados de los

métodos analítico y numérico, en la determinación del diámetro deformado del remache y la

deformación plástica del remache respecto de la fuerza de apriete aplicada.

a)

b)

Figura 3.10. Gráficas del comportamiento de la diferencia entre los resultados de los métodos analítico

y numérico, en la determinación de: a) diámetro final del remache (Dp) respecto de la fuerza de apriete aplicada; b) la deformación plástica del remache respecto de la fuerza de apriete aplicada ( ).

FUERZA DE APRIETE RESULTADOS NUMERICOS

Fp (lb) Δlp (x10-1 in) Dp (x10-1 in) Δlp (x10-1 in) Dp (x10-1 in) Δlp Dp

3500 1.290 2.736 1.320 2.859 2.37% 4.50%

3650 1.330 2.788 1.339 2.900 0.67% 4.00%

3875 1.370 2.843 1.378 2.952 0.58% 3.84%

4000 1.398 2.883 1.397 2.976 0.02% 3.32%

4175 1.428 2.929 1.432 3.027 0.28% 3.35%

4300 1.442 2.951 1.446 3.049 0.30% 3.32%

RESULTADOS ANALITICOS DIFERENCIA

Tabla 3.3. Comparación entre los resultados analíticos y numéricos.


CENIDET 32

Con la finalidad de aproximar un tamaño de elemento adecuado para obtener resultados

confiables en las zonas de contacto del modelo discreto, se realizó un modelo por elemento

finito en base a la teoría de contacto de Hertz, en el cual, la validación del modelo discreto se

realizó mediante comparación con los resultados obtenidos de un método analítico. Al final

de este método se llegó a la conclusión de que el tamaño del elemento en la zona contacto

debía ser en el intervalo de 3.94 x10-4 in (10x10-6 m) y hasta 9.84 x10-4 in (25x10-6 m) para

lograr resultados confiables.

En base a lo anterior, en el modelo discreto realizado para la simulación del proceso de

remachado, se implementaron elementos de 9.84 x10-4 in (25x10-6 m) de longitud en las

zonas de interés. Estas zonas fueron determinadas en base a la revisión bibliografía que se

muestra el capítulo 1 de este trabajo y a las primeras simulaciones que se realizaron acerca

del proceso de remachado. Con esto, se garantiza obtener resultados confiables en los

análisis posteriores.

Finalmente, el modelo que en este capítulo fue validado se utilizará en el capítulo 4 como

modelo base para la realización de los estudios paramétricos correspondientes.

Capítulo 4 Estudios paramétricos

CENIDET 33

CAPÍTULO 4

CAPITULO 4

4. Estudios paramétricos de la unión remachada

En este capítulo se hacen estudios paramétricos del proceso de remachado a partir del

modelo discreto descrito en el apartado 3.4. Estos estudios incluyen variaciones en la rigidez

de los elementos de la unión, variación en la fuerza de apriete aplicada en el proceso de

remachado, variaciones en el ajuste inicial de la unión y variación del coeficiente de fricción

entre los elementos que conforman la unión.

Los estudios paramétricos son realizados con la finalidad de determinar la influencia que

dada uno de estos tiene sobre la calidad e integridad de la unión. Para esto, se analizan

aspectos importantes de la unión como son: comportamiento de la restitución elástica del

remache (springback), variación de las zonas de contacto en la unión, comportamiento de los

esfuerzos radiales compresivos y tangenciales de tensión como parámetros para definir el

apriete en la unión y la tendencia a la fractura de la misma.


CENIDET 34

4.1 Efecto de la rigidez de los elementos en la unión

La realización de este estudio se hace mediante la variación de los elementos que

componen el modelo discreto. El modelo discreto se compone de tres partes deformables:

dos placas de unión y el remache; y un cuerpo rígido (buterola) que es la pieza con la cual se

ejerce la fuerza de remachado. La otra buterola que permanece estática y ejerce la fuerza de

reacción, se simula mediante condiciones de frontera en la cabeza del remache. Las partes

que componen el modelo están compuestas por elementos CAX4R (elementos axisimétricos

de cuatro nodos con integración reducida). Se aplicó geometría no lineal debido a las altas

deformaciones que el proceso de remachado involucra. El modelo discreto y sus condiciones

de frontera se ilustran en la figura 4.1

Figura 4.1. Modelo discreto 2D axisimétrico con 3 partes deformables, una buterola rígida y sus condiciones de frontera.

Remache

Placas de aluminio

Buterola

Fuerza de apriete

a)

b) Fuerza de apriete


vertical amarilla

Uy=0 en las

esquinas

Uy=0


vertical amarilla

X

Z

Y


CENIDET 35

4.1.1 Análisis 1: Modelo inicial

En este análisis se hacen observaciones generales referentes a la deformación del remache

y las placas al aplicar una fuerza de apriete en el remachado de 4300 lb y una holgura inicial

de 0.001969 in (0.05 mm) entre el cuerpo del remache y las placas. Finalmente se hace una

comparación con un estudio experimental [37] reportado en la literatura. Los materiales

usados para este análisis y sus propiedades se muestran en la Tabla 4.1.

Tabla 4.1. Materiales usados en el modelo de estudio y sus propiedades.

Los resultados del modelo discreto se comparan con los obtenidos en un análisis

experimental en el cual se usa el mismo material para el remache y aluminio 2024-T3 para

las placas de la unión. El material implementado en las placas para el análisis numérico de

esta investigación tiene propiedades relativamente semejantes al usado en el estudio

experimental mencionado y coincide en la característica de presentar significativamente

mayor resistencia a la deformación en el rango plástico debido a que la resistencia a la

fluencia y el coeficiente de endurecimiento por deformación son mayores a los presentados

en el aluminio 2117-T4 del remache.

Las similitudes anteriormente mencionadas son suficientes para hacer una comparación

entre ambos análisis de forma cualitativa.

En la figura 4.2a puede observarse que en el análisis experimental hay una deformación en

la cual el material que pertenece a esta zona tiende a fluir a en dirección horizontal X y

vertical Y formando la protuberancia que se resalta en la figura. Un comportamiento similar

puede observarse en el análisis numérico (ver figura 4.2b) en donde dicha protuberancia

tiende a tomar la forma que se presentó en el análisis experimental, sin embargo, esto no se

logra a la perfección debido a las siguientes razones.

1.- La formación de la protuberancia en el modelo numérico se hace mediante la

deformación de los elementos. Es importante mencionar que esta deformación en el

experimento presenta curvatura y que los elementos tipo cuadriláteros son limitados a tomar

este tipo de formas en el análisis tipo lagrangiano.

2.- La rigidez de los materiales implementados en el análisis experimental y en el análisis

numérico son diferentes para las placas, por lo cual, la magnitud de la formación de dicha

protuberancia será mayor en el caso de materiales más blandos en las placas y menor en

caso de incrementar la rigidez de las placas.

Parte de la unión

Material Módulo elástico (x106 psi)

Esfuerzo de fluencia (x103 psi)

Esfuerzo máximo por endurecimiento

(x103 psi)

Placas Aluminio 6061-T6

10 40 48.37

Remache Aluminio 2117-T4

10.3 24 55.70


CENIDET 36

3.- Otro parámetro importante para la magnitud de la formación de esta protuberancia es el

tipo de ajuste inicial entre el remache y las placas antes del proceso de remachado ya que a

menor juego entre el remache y las placas, es mayor la concentración de esfuerzos en esta

zona y por tanto, mayor es la deformación.

4.- Un parámetro que tiene influencia directa en este fenómeno es la fuerza de apriete

implementada durante del proceso de remachado, debido a que al aumentar la fuerza, es

mayor la magnitud de las deformaciones no solo en esta zona, sino en toda la unión.

a) b)

a) b)

Figura 4.2. Comparación entre resultado experimental [37] y numérico.

Un segundo análisis corresponde al cambio del material del remache respecto al material de

las placas, esto con la finalidad de observar el comportamiento de las deformaciones en la

unión. Este análisis se muestra a continuación.

4.1.2 Análisis 2: Intercambio de materiales

En este análisis se estudian dos modelos sometidos a un proceso se remachado en el cual

se aplica una fuerza de apriete de 4300 lb y una holgura inicial entre el cuerpo del remache y

las placas de 0.003938 in (0.1 mm). El modelo 1 es el modelo tomado como modelo base; en

el modelo 2 se hace un intercambio de materiales entre el remache y las placas. Los

materiales que componen los modelos de estudio y sus propiedades se muestran en la

Tabla 4.2.

X

Y Cabeza del remache

Cabeza del remache

Placa inferior

Placa inferior

Figura 4.2. Comparación entre resultado experimental [37] y numérico.


CENIDET 37

Tabla 4.2. Materiales usados en los modelos de estudio y sus propiedades.

Parte de la unión

Material Módulo elástico

(x106 psi)

Esfuerzo de fluencia

(x103 psi)


(x103 psi)

MODELO 1


10 40 48.37


10.3 24 55.70

MODELO 2


10.3 24 55.70


10 40 48.37

Como resultado del intercambio de material entre las placas de la unión y el remache

realizado en el modelo 2, se observa en la figura 4.3 que:

1. No solo la distribución de esfuerzos es muy parecida, sino también la magnitud de los

esfuerzos; esto se atribuye a que los materiales de los elementos de la unión tienen

propiedades relativamente similares, que aunque no se aprecia respecto del esfuerzo

de fluencia, esto se ve compensado debido al trabajo de endurecimiento por

deformación.

2. La protuberancia que se forma en la esquina de la placa inferior que está en contacto

con el remache en el modelo 1 (ver figura 4.3a), es menos pronunciada en el modelo

2 (ver figura 4.3b)

a) b)

3. Las zonas de contacto son determinadas con ayuda de la herramienta CPRES

disponible en abaqus, una ves determinadas, se resaltan en la figura para su

apreciación. En observa que tanto en el modelo 1 como en el modelo 2 se

encuentran zonas que no están en contacto y que desde luego son importantes para

Cabeza del remache

Placa inferior Placa inferior

Cabeza del remache

Figura 4.3. Comparación de los resultados entre: a) modelo1 y b) modelo 2.


CENIDET 38

la integridad de la unión. En el primer modelo se observa un apriete en la zona del

cuerpo del remache con la placa inferior (68.6 % del área total del cuerpo del

remache), en la zona de avellanado (90% del área total del avellanado) y entre las

placas (48% del área total); la zona de interacción de la placa superior y el cuerpo del

remache se encuentran fuera de contacto como se observa en la figura 4.4a.

Por otro lado, en el segundo modelo en el cual se hace un intercambio de materiales,

se observa que la zona de interacción de avellanado hay contacto en un 14% del

área total de avellanado; el cuerpo del remache está en contacto con las placas en un

67.9% mientras entre las placas no existe contacto alguno, como se observa en la

figura 4.4b.

Las zonas de interacción que no están en contacto pueden representar una fuente de riesgo,

esencialmente en las uniones remachadas que estén sometidas a cargas cíclicas y/o

vibración puesto que en estas superficies puede generarse desgaste por movimiento relativo

entre las partes de la unión.

En la tabla 4.2 se observa que los materiales de la unión muestran diferencias en cuanto al

esfuerzo de fluencia y al endurecimiento por deformación, debido al cual, en la zona plástica

y en altas deformaciones, el material que inicialmente se torna más resistente (aluminio

6061-T6) termina siendo relativamente más blando en comparación al otro material que a

causa del endurecimiento por deformación se torna más resistente (Aluminio 2117-T4).

Partiendo de lo anterior se puede deducir que:

4. La separación entre las placas es debido a la recuperación elástica de los materiales

(springback), el cual es menor en el modelo 1 y se manifiesta como un aumento de la

zona de contacto de un 72% en la zona de avellanado y 49.8% entre las placas (ver

(a) (b)

Figura 4.4. Comparación de esfuerzos radiales compresivos y detección de zonas de apriete (líneas blancas) en: a) Modelo 1, b) Modelo 2.


CENIDET 39

figura 4.4a) respecto del modelo 2 (ver figura 4.4b). Lo anterior se debe a que en el

modelo 1 el esfuerzo de fluencia del remache (Aluminio 2117-T4) es menor que en el

segundo modelo (Aluminio 6061-T6) por lo tanto, se puede deducir que hay mayores

deformaciones plásticas en el cuerpo del remache del modelo 1 y en consecuencia,

la recuperación elástica se reduce considerablemente. En el caso del remache de

aluminio 6061-T6 cuyo esfuerzo de fluencia es más alto, este ofrece mayor

resistencia la fluencia, por lo que ante la presencia de la misma fuerza de remachado,

las deformaciones en general son menores y particularmente hay una mayor cantidad

de deformaciones dentro del rango elástico que incrementan el fenómeno de

restitución elástica.

Las separaciones que se muestran en la figura 4.4 se han clasificado como zonas de

desgaste bajo condiciones cargas cíclicas y/o vibraciones. Particularmente, las

separaciones entre el cuerpo del remache y las placas, en presencia de cargas

dinámicas, no solo pueden representar zonas de desgaste sino zonas en donde las

cargas alternantes pueden transmitirse en forma de impacto disminuyendo

considerablemente la vida útil de la unión. Las figuras 4.5 y 4.6 ilustran algunos ejemplos

de las fallas que pueden presentarse por los fenómenos anteriormente descritos.

a) b) c)

Para una mejor comprensión de las causas que llevan a la generación de esta separación

entre el cuerpo del remache y las placas; se grafican en ambos modelos los

desplazamientos en dirección X de los nodos de la zona de contacto del remache respecto

de las placas como se muestra en la figura 4.7.

Figura 4.5. Formas de falla en remaches [40].

Figura 4.6. Fenómeno de fretting en uniones remachadas: a) fretting en el centro, b) fretting en contacto, y c) fretting en la parte central y superficial [41].


CENIDET 40

Las gráficas obtenidas se muestran en la figura 4.8.

a) b)

c) d)

Se observa en las gráficas que el comportamiento de la deformación del remache es similar

tanto cualitativa como cuantitativamente; sin embargo, en la figura 4.8a y 4.8b se señalan en

círculos de color rojo, zonas en las que la deformación del remache de los modelos cambian,

siendo mayor la deformación del segundo modelo el cual es de aluminio 6061-T6. En los

círculos de color azul se comparan puntos correspondientes donde la deformación del

remache del segundo modelo aumenta en un 13%.

De la figura 4.8a correspondiente al primer modelo se puede concluir que:

Figura 4.7. Nodos del remache en la zona de contacto cuyos desplazamientos sobre el eje X al final del proceso de remachado son graficados.

Figura 4.8. Gráficas de desplazamientos de la zona de contacto del remache, donde: a) modelo 1, b) modelo 2, c) ampliación de la gráfica del modelo 1, d) ampliación de la gráfica del modelo 2.

Y

Remache: Aluminio 2117-T4

Placas: Aluminio 6061-T6

Y

Placas: Aluminio 2117-T4

Remache: Aluminio 6061-T6


CENIDET 41

1. El material de la placas se torna inicialmente más resistente a la deformación que el

remache, por lo que el remache bajo el mismo perfil de deformación en la zona de

contacto, ejerce una presión en la placa inferior causando inicialmente deformaciones

más pequeñas y mayormente en el rango elástico como se observa en la figura 4.9a.

2. A causa de la mayor resistencia de la placa inferior, la expansión radial del remache

se ve disminuida y por tanto no logra entrar en contacto con la placa superior. Por

otro lado, debido a la diferencia de los esfuerzos de fluencia, el remache al

deformarse se amolda de mejor manera a la placa inferior y ésta al sufrir mayor

cantidad de deformación en el rango elástico, se restituye elásticamente al concluir el

proceso de remachado, conformando con el remache un mejor ajuste que se

manifiesta en mejores zonas de contacto (ver figura 4.4a).

De la figura 4.8b correspondiente al segundo modelo se puede inferir que:

1. La deformación más grande se localiza en la zona de contacto del cuerpo del

remache con la esquina inferior de la placa inferior, la cual asciende a 3.64 x10-3in

(0.92 mm) y se encuentra dentro del rango plástico.

2. Cuando la cabeza del remache comienza a ser formada por la acción de la buterola,

el remache se deforma plásticamente aplastando la placa inferior y ocasionando en la

esquina inferior una concentración de esfuerzos. Debido a esto y a la baja resistencia

que inicialmente opone el material de la placa se produce una alta deformación en la

placa como se observa en el círculo rojo de la figura 4.8b la cual supera en un 13% la

deformación en la misma zona del modelo 1 (ver figura 4.8a).

3. Por otro lado, debido a la diferencia entre el endurecimiento por deformación de los

materiales, existe un punto en que el material de placa necesita un esfuerzo mayor

para fluir que el remache, es decir, ofrece más resistencia a la deformación que el

remache. Una vez alcanzado este punto y bajo la acción de la compresión ejercida

por la buterola el remache continúa deformándose provocando deformaciones en la

placa dentro del rango elástico, haciendo que esta se desplace radialmente hacia el

exterior.

4. La baja resistencia a la deformación que tiene la placa inicialmente, permite que esta

sea desplazada radialmente; este desplazamiento es no uniforme al igual que la

deformación del cuerpo del remache (ver figura 4.8) lo cual provoca la separación

entre la placa inferior y el cuerpo del remache, logrando éste, entrar en contacto con

la placa superior, como se observa en la figura 4.3b.


CENIDET 42

a) b)

4.1.3 Análisis 3: Material del remache considerablemente blando

Con la finalidad de definir los efectos de la rigidez de los elementos en la unión, se realizó un

análisis en el cual se aplicó aluminio 1100-0 como material para el remache, que es un

material blando comparado con la rigidez del aluminio 6061-T6 aplicado en las placas. Las

propiedades de los materiales de la unión se muestran en la Tabla 4.3.


A causa de que el material seleccionado para el remache tiene un esfuerzo de fluencia

menor que el usado en el análisis anterior, fue necesario disminuir considerablemente la

fuerza de apriete en el proceso de remachado de 4300 a 1300 lb, esto en virtud de que 4300

lb era una fuerza excesiva para la deformación del remache en este análisis. La geometría

deformada del remache y la distribución de esfuerzos de Von Mises se muestran en la figura

4.10.

1. Aunque la fuerza de apriete fue reducida en un 70%, esta fuerza fue suficiente para la

conformación de la unión y lograr un diámetro máximo en la cabeza deformada del

remache superior en un 11 % al obtenido aplicando una fuerza de 4300 lb y usando

aluminio 2117-T4 para el remache.

Parte de la unión




(x103 psi)


10 40 48.37

Remache Aluminio 1100-0

10 5 12.08

Figura 4.9. Deformaciones plásticas radiales compresivas en a) Modelo 1, b) Modelo 2.


CENIDET 43

a) b)

2. La protuberancia observada en los análisis en donde las propiedades de los

materiales de las placas y el remache fueron similares (ver figura 4.11a) no fue

observada en este análisis (ver figura 4.11b). Esto se atribuye a que en este caso el

material del remache, aluminio 1100-0, es blando comparado al material usado en los

análisis anteriores, aluminio 2117-T4 y aluminio 6061-T6; por tanto, en este caso, el

material se deforma con mayor facilidad acoplándose a la superficie de la placa

inferior cuyo material es más rígido y en consecuencia se deforma en menor grado

como se observa en la figura 4.11.

a) b)

3. La recuperación elástica del remache una vez retirada la fuerza de apriete disminuye

de 1.9174e-003 in (0.0487 mm) a 4.3059e-4 in (0.0109 mm), es decir, disminuye en

un 77.54%. La disminución en el springback se debe a que el remache de aluminio

1100-0 tiene un esfuerzo de fluencia menor que el del aluminio 2117-T4 por lo tanto,

aunque este esté sometido a esfuerzos menores tendrá mayores deformaciones

plásticas, en consecuencia una menor recuperación elástica y por lo tanto, un mejor

acoplamiento y ajuste del remache a las placas de unión.

Figura 4.10. Deformación del remache y distribución de esfuerzos en la zona de contacto entre el remache y la placa.

Figura 4.11. Deformación en la zona de contacto entre el remache y la placa inferior implementando: a) materiales de rigidez similar, b) remache de material blando comparado con las

placas.


CENIDET 44

4.1.4 Análisis 4: Uniones con remaches de diferentes materiales bajo condiciones iguales de

deformación

Para comparar los resultados de zonas de contacto y esfuerzos, en las mismas condiciones

de forma usando aluminio 1100-0 en el remache de una unión, aluminio 2117-T4 para el

remache de la otra unión y aluminio 6061-T6 para las placas de ambos modelos; se sustituye

la fuerza de apriete por un desplazamiento de la buterola, esto implica el mismo diámetro de

la cabeza formada del remache en ambos modelos. Posteriormente se realizan las

comparaciones de los resultados obtenidos en los modelos.

Como se hizo notar en el análisis anterior, la rigidez del remache es muy importante para la

forma final de la unión remachada. En este caso, las uniones remachadas fueron

conformadas bajo las mismas condiciones de deformación del remache, lo cual implica una

disminución de la fuerza de apriete aplicada en el remache más blando para provocar la

misma deformación que en el remache más rígido al ser aplicada una fuerza de 4300 lb. Se

observa en primer instancia que el remache, al ser más blando que las placas se ve forzado

a adaptarse a la forma de la placa inferior en la zona de contacto, esto se señala en el

círculo rojo de la figura 4.12a. En el segundo caso, al ser el remache de propiedades

relativamente semejantes a las de las placas, este generan mayores deformaciones plásticas

en la zona de contacto de la placa inferior como se ilustra en el círculo rojo de la figura 4.12b.

(a) (b)

4.1.5 Efecto de la variación de la rigidez de los elementos en la calidad de la unión

La rigidez del remache es un parámetro muy importante que afecta principalmente la

magnitud de los esfuerzos residuales tanto en el remache como en las placas involucradas

en la unión (ver figura 4.13). Por otro lado, es evidente que al aumentar la rigidez del

remache se incrementan los esfuerzos residuales en este, sin embargo, también se

incrementa la resistencia del mismo; por lo tanto, resulta más importante el estado de

esfuerzos resultante en las placas que, como se observa en la figura 4.13, es directamente

afectado.

Figura 4.12. Deformación y esfuerzos en la zona de contacto de la cabeza formada del remache con la placa inferior; usando para las placas aluminio 6061-T6 y en el remache, aluminio: a)

1100-0, b) 2117-T4.


CENIDET 45

(a) (b)

Los esfuerzos radiales en la zona de contacto del remache con la placa inferior son un

parámetro útil para definir la calidad del apriete en dicha zona y por lo tanto determinante en

la calidad de la unión. El círculo de color blanco en la figura 4.14a, señala una zona en que

no hay contacto entre el remache más rígido y la placa, a diferencia del modelo con el

remache blando (ver figura 4.14b). Adicionalmente, de la figura 4.14b se percibe que el

remache con menor rigidez se acopla de mejor manera con las placas de la unión generando

mayores zonas de contacto, sin embargo, aunque el remache con mayor rigidez genera

zonas de menor calidad de contacto (ver figura 4.14a), estas zonas de contacto se

encuentran acopladas con un mayor apriete.. Para hacer más notable esto, se genera una

curva de los esfuerzos compresivos en la zona de contacto del remache con la placa inferior

que, como se determinó antes, representa la zona me mayor ajuste en la unión.

(a) (b)

Figura 4.13. Esfuerzos residuales en la unión; usando para las placas, aluminio 6061-T6 y en el remache, aluminio: a) 2117-T4, b) 1100-0.

Figura 4.14. Esfuerzos radiales compresivos en la unión; usando para las placas, aluminio 6061-T6 y en el remache, aluminio: a) 2117-T4, b) 1100-0.


CENIDET 46

En la figura 4.15 se puede observar el comportamiento de los esfuerzos radiales

compresivos de la zona de contacto de la placa inferior de las uniones con el cuerpo del

remache.

a)

(b)

En el caso en que el remache es más rígido (ver figura 4.15a), los esfuerzos radiales

máximos de compresión se detectan en las esquinas de la placa inferior que entran en

contacto con el cuerpo del remache y sus valores son: 39.173 x103 psi para la esquina

superior y 42.634 x103 psi para la esquina de contacto inferior, en la zona media se observa

una disminución de los esfuerzos además de una distribución no uniforme.

Para el caso en que el remache es muy blando comparado con la rigidez de las placas, los

esfuerzos máximos son: 6.960 x103 psi en una zona cercana a la esquina superior y 27.556

x103 psi en la esquina inferior de contacto.

Se encontró que en el modelo en el que el remache es más rígido hay una mayor zona de

contacto y que además, ésta zona se encuentra en condiciones de apriete mayores que en

el modelo en el que se usa el remache más blando.

Figura 4.15. Esfuerzos radiales compresivos en la placa inferior de las uniones; usando para las placas, aluminio 6061-T6 y en el remache, aluminio: a) 2117-T4, b) 1100-0.

Zona de contacto

Zona de contacto


CENIDET 47

Por otro lado, se observó una disminución de la recuperación elástica del remache una vez

retirada la fuerza de apriete, esta disminuye de 1.9174e-003 in (0.0487 mm) en el remache

rígido a 3.8528e-4 in (0.009786 mm) en el remache blando, es decir, disminuye en un 79.9%.

La disminución del springback en la unión con el remache blando contribuyó en un aumento

de la zona de contacto entre las placas. En la figura 4.16a se puede observar que la longitud

de la zona de contacto, marcada con líneas de color rojo, entre la placa superior e inferior

(48% de la longitud total de las placas) es menor en comparación con la observada en la

unión hecha con el remache blando (96.2% de la longitud total de las placas) que se ilustra

en la figura 4.16b. Esto puede atribuirse a que, debido al bajo esfuerzo de fluencia en el

remache blando, se logran mayores deformaciones plásticas en el cuerpo del mismo lo cual

disminuye la restitución elástica después de la descarga del remache y logra un mejor ajuste

entre las placas.

(a) (b)

(a) (b)

Se determinó la magnitud y distribución de los esfuerzos tangenciales de tensión en la placa

inferior que resultan del proceso de remachado. Estos esfuerzos pueden ser interpretados

como un parámetro para la detección de las zonas en las que las microgrietas generadas

por deformaciones plásticas y grandes esfuerzos, tienden a propagarse.

En la figura 4.17 se observan en color negro las zonas de esfuerzos compresivos y el resto

de los colores muestran la distribución de los esfuerzos de tensión en toda la unión. Las

zonas encerradas en círculos de color rojo muestran la ubicación del máximo esfuerzo

tangencial de tensión pertenecientes a la placa inferior en la zona de contacto con el

remache, el cual, para el modelo en el que el remache es más rígido (ver figura 4.17a) es de

22.1205 x103 psi y en el modelo en donde el remache es blando (ver figura 4.17b) es de

10.2833 x103 psi.

Figura 4.16. Longitud de la zona de contacto entre las placas de unión superior e inferior, usando para estas, aluminio 6061-T6 y en el remache, aluminio: a) 2117-T4, b) 1100-0.


CENIDET 48

(a) (b)

Se puede notar también que en la zona de la placa inferior en contacto con el remache de la

unión efectuada con el remache más rígido hay zonas sometidas a esfuerzos tangenciales

de compresión, lo cual no ocurre en la unión efectuada con el remache más blando. Es

importante mencionar que estas zonas compresivas son deseables debido a que evitan la

propagación de grietas que se hubiesen podido generar por fallas y/o imperfecciones en la

superficie del material o debido a las deformaciones plásticas durante el proceso de

remachado.

Las zonas de esfuerzos tangenciales compresivos en la placa inferior de la unión se generan

debido a las deformaciones plásticas que se originan en zona de contacto con la cabeza

formada del remache durante el proceso de remachado. En la figura 4.18 se observan las

deformaciones plásticas encontradas en la placa inferior de la unión con el remache más

rígido, las cuales se distribuyen de forma similar a los esfuerzos tangenciales compresivos

mostrados en color negro en la misma zona de la figura 4.17a.

Figura 4.17. Esfuerzos tangenciales de tensión en la unión; usando para las placas, aluminio 6061-T6 y en el remache, aluminio: a) 2117-T4, b) 1100-0.


CENIDET 49

Estos esfuerzos tangenciales de compresión no se presentan en la unión con el remache de

material blando debido a que el remache es menos resistente que las placas de la unión y

en consecuencia este llega a su forma final durante el proceso de remachado sin provocar

deformaciones significativas en las placas de la unión. Esto se ilustra de manera gráfica en la

figura 4.19a y 4.19b, donde se comparan los desplazamientos radiales del remache a lo

largo de la zona de interacción con las placas. Se puede notar en el círculo rojo de la figura

4.19a que el remache se expande radialmente en la zona de contacto con la placa,

provocando deformaciones plásticas en la misma. Por el contrario, se puede observar en la

zona marcada con circulo rodo en la figura 4.19b que el remache, al ser más blando que las

placas, se adapta a la forma de la placa inferior formando una esquina con un ángulo

aproximado de 90°, característico de la orilla del agujero de la placa.

(a) (b)

Y

Y

Figura 4.18. Deformaciones plásticas en el plano X-Y; usando para las placas, aluminio 6061-T6 y en el remache, aluminio 2117-T4.

Figura 4.19. Gráficas de los desplazamientos radiales del remache a lo largo de la zona de interacción con las placas; usando para las placas aluminio 6061-T6 y en el remache, aluminio:

a) 2117-T4, b) 1100-0.


CENIDET 50

4.2 Fuerza de apriete aplicada en el remachado de la unión

En este estudio se analizan los efectos que el aumento de la fuerza de apriete aplicada en el

proceso de remachado provoca en la calidad de la unión. Para esto, se toma el modelo

numérico presentado en el apartado 3.4 y se realizan simulaciones del proceso de

remachado aplicando cargas de 4300 lb, 5300 lb y 5800 lb; el proceso de remachado

concluye al retirar la carga del remache, dando lugar a la restitución elástica del mismo.

Primeramente, es importante mencionar que la validación analítica del modelo discreto,

descrito en el apartado 3.4, se basó en la comparación entre los resultados analíticos y

numéricos del diámetro final de la cabeza formada del remache y la deformación plástica

longitudinal del mismo bajo diferentes magnitudes de fuerzas de apriete en el proceso de

remachado. Adicionalmente de acuerdo a las gráficas de la figura 3.10, se puede deducir

que tanto el diámetro final de la cabeza formada del remache como la deformación plástica

longitudinal del remache tienen una relación proporcional directa con la fuerza de apriete.

Esto implica que al aumentar la fuerza de apriete aumenta el diámetro final de la cabeza

formada del remache y la magnitud de las deformaciones plásticas longitudinales del mismo.

Esta parte de la investigación se concentra en el análisis del comportamiento de factores

importantes como lo son: la restitución elástica en la unión, zonas de contacto, y esfuerzos

radiales y tangenciales en las placas de la unión bajo diferentes fuerzas de apriete en el

proceso de remachado; con la finalidad de definir la calidad de la unión.

Los materiales que conforman el modelo de estudio y sus propiedades se especifican en la

tabla 4.4.


4.2.1 Efecto en la restitución elástica

Se analizaron 3 modelos en donde el único parámetro que varió es la fuerza de apriete, la

cuales fueron: 4300 lb, 5300 lb y 5800 lb; respectivamente para cada uno de los modelos.

En el primer modelo se detectó una recuperación elástica longitudinal en el remache de

1.7852 x10-3 in (0.0453 mm); en el segundo modelo, fue de 1.9066 x10-3 in (0.0484 mm) y en

el tercer modelo de 1.9848 x10-3 in (0.0504 mm). De lo anterior se destaca un incremento en

Parte de la unión




(x103 psi)


10 40 48.37


10.3 24 55.70


CENIDET 51

la recuperación elástica del remache, sin embargo, en los modelos al incrementar la fuerza

de apriete se nota una mayor deformación plástica longitudinal del remache.

En el análisis anterior se concluyó que el efecto de springback del remache depende de la

magnitud de las deformaciones plásticas en el interior del cuerpo del mismo y, por lo tanto,

se esperaría que al aumentar la fuerza de apriete del proceso de remachado aumentara las

deformaciones plásticas longitudinales en el remache y en consecuencia disminuyera la

magnitud de la restitución elástica.

Para comprobar la hipótesis anterior, se ilustra en la figura 4.20 la distribución de los

esfuerzos axiales (eje Y) en el remache antes de la descarga para las tres diferentes fuerzas

de apriete. Se presenta en color negro los esfuerzos que superan el esfuerzo de fluencia y

en franjas de colores las zonas que permanecen en el rango elástico y que representan las

zonas que tienden a la recuperación elástica después de la descarga.

a) b) c)

Se puede visualizar que las zonas de deformación plástica aumentan respecto de la fuerza

de apriete y por tanto, la tendencia a la restitución elástica es menor. Sin embargo, se debe

considerar que las placas también se deforman dentro del rango elástico y por lo tanto,

tienden también a la recuperación elástica que al estar en contacto con el remache, ejerce

cierta influencia en la restitución elástica del mismo. Para verificar esto, se ilustra en la figura

4.21 la distribución de los esfuerzos axiales (eje Y) de las placas antes de la descarga para

las tres diferentes fuerzas de apriete. Se presentan en color negro las zonas en donde los

esfuerzos superan el esfuerzo de fluencia y en franjas de colores las zonas en donde los

esfuerzos permanecen en el rango elástico y que tienden a la recuperación elástica después

de la descarga.

Figura 4.20. Distribución de los esfuerzos axiales (eje Y) en el remache antes de la descarga, con una fuerza de apriete de: a) 4300 lb, b) 5300 lb y c) 5800 lb.


CENIDET 52

a) b)

c)

De lo anterior se puede observar que hay una disminución progresiva de la gama de colores,

desde azul hasta rojo, que representan las zonas de la tendencia a la restitución elástica por

parte de las placas, puede notarse que la disminución de esta tendencia es muy pequeña al

aumentar la fuerza de apriete de 5300 lb a 5800 Lb, por lo que puede suponerse que esta

tendencia a la restitución de las placas sea muy pequeña comparada con la deformación del

remache bajo la acción de la fuerza de apriete. Se puede concluir que el springback del

remache depende también de la magnitud de las deformaciones en las placas y por lo tanto,

es mejor relacionar este parámetro con la deformación longitudinal total del remache antes

de la descarga. Lo anterior se presenta en la Tabla 4.5.

Figura 4.21. Distribución de los esfuerzos axiales, eje Y, en las placas antes de la descarga, con una fuerza de apriete de: a) 4300 lb, b) 5300 lb y c) 5800 lb.

Zona elástica Zona

elástica

Zona

elástica


CENIDET 53

Tabla 4.5. Restitución elástica del remache relativa a la deformación longitudinal total del mismo bajo diferentes cargas.

Fuerza de apriete (Lb)

Deformación longitudinal del

remache antes de la descarga (x10-1 in)

Restitución elástica longitudinal

después de la descarga (x10-3 in)

Restitución elástica relativa a la deformación

longitudinal total (%)

4300 1.5536 1.7852 1.1490

5300 1.6644 1.9066 1.1455

5800 1.7055 1.9848 1.16

De la Tabla 4.5 se puede destacar que el fenómeno springback presenta, en términos

generales, disminución ante el aumento de la fuerza de apriete, sin embargo, esta tendencia

se ve interrumpida al aumentar la fuerza de apriete a 5800 lb. Esto se debe al efecto de la

rigidez de los elementos de la unión y al endurecimiento por deformación de los mismos (una

mejor descripción del efecto de la rigidez de los elementos en la restitución elástica se hace

en el apartado 4.1.2). Puede interpretarse que la deformación producida por el aumento de

carga es prácticamente nula en las placas de unión y significativa en el remache; por tal

motivo, el springback es generado mayormente en las placas a causa de la mayor rigidez de

las mismas.

4.2.2 Efecto en las zonas de contacto

En virtud de que se encontró una disminución del fenómeno springback al aumentar la fuerza

de apriete, se puede pensar que exista una disminución de la separación existente entre las

piezas de la unión debido a este fenómeno y que, por lo tanto, se generen mejores zonas de

contacto y/o se incremente el apriete con el que interactúan. Para corroborar lo anterior, se

monitorea la longitud de las zonas de contacto entre las piezas.

En la figura 4.22 se ilustra el aumento de la zona de contacto en la región de la cabeza y la

placa avellanada, la cual se señala con líneas rojas ubicadas en cada ilustración. Puede

notarse que un incremento del 35% de la fuerza de apriete usada en el remachado de la

unión puede incrementar el área de contacto en un 38% del área total de la zona de

avellanado (ver figura 4.22c) y, por tanto, reducir posibles zonas de desgaste y de falla.

a) b)


CENIDET 54

c)

Así mismo, también se detectó un incremento de la zona de contacto entre las placas de la

unión, las cuales estaban totalmente fuera de contacto al aplicar una fuerza de remachado

de 4300 lb (ver figura 4.23a), llegando a un incremento del 16% del área total entre las

placas, a través de la cual puede transferirse carga por fricción (ver figura 4.23c).

a) b)

c)

Figura 4.22. Aumento de la zona de contacto en la región de avellanado con respecto a la fuerza de apriete de: a) 4300 lb, b) 5300 lb y c) 5800 lb.

Figura 4.23. Aumento de la zona de contacto entre las placas con respecto a la fuerza de apriete de: a) 4300 lb, b) 5300 lb y c) 5800 lb.


CENIDET 55

Los resultados también muestran que un incremento en la magnitud de la fuerza de apriete

en el remachado mejora el llenado del remache en el agujero y por lo tanto, incrementa el

área de contacto entre el cuerpo del remache y las placas. Esto se ilustra con líneas de color

rojo en la figura 4.24; donde se observó que un incremento del 35% de la fuerza de apriete

en el remache puede aumentar el área de contacto en un 9% del área total entre el cuerpo

del remache y las placas (figura 4.24c). El aumento de las zonas de contacto es un aspecto

que podría contribuir en la disminución de situaciones de cargas de impacto por movimiento

relativo entre el remache y las placas, y el desgaste por fretting en el cuerpo del remache,

incrementando la vida útil de la unión.

a) b)

c)

4.2.3 Efecto en los esfuerzos radiales

En el apartado 4.2.2 se encontró que al incrementar la fuerza de apriete el remache se

expande y llena mejor el agujero, creando mayores zonas de contacto. Debe suponerse que

al haber un incremento en la expansión del remache dentro del agujero de las placas, se

incrementan los esfuerzos radiales compresivos en estas y por lo tanto, el apriete de la

unión.

Figura 4.24. Aumento de la zona de contacto entre el cuerpo del remache y las placas con respecto a la fuerza de apriete de: a) 4300 lb, b) 5300 lb y c) 5800 lb.


CENIDET 56

Con la finalidad de conocer el comportamiento se los esfuerzos radiales en la zona de

contacto del cuerpo del remache con la placa inferior, se determinó la magnitud de los

esfuerzos en los nodos de la placa inferior correspondientes a dicha zona de contacto. La

ubicación de estos nodos se resalta con una línea de color rojo en la figura 4.25.

Para una mejor visualización de los resultados se graficaron los esfuerzos radiales

encontrados en los nodos. En la figura 4.26 se muestran las gráficas de la distribución de los

esfuerzos radiales en la zona de contacto del cuerpo del remache con la placa inferior bajo

diferentes fuerzas de apriete en el proceso de remachado. Se determinó que al aumentar la

fuerza de aplicada en el proceso de remachado se incrementa el apriete entre el remache y

las placas conformando un mejor ajuste entre estas; este aumento en la presión puede

notarse en el intervalo desde 0.02 in y hasta 0.08 in de cada una de las gráficas de la figura

4.26, intervalo en el cual esta distribución es uniforme. Adicionalmente, se encontró un

aumento de la presión en las esquinas de la placa y sus proximidades; este aumento se

señala con círculos de color rojo en las gráficas.

(a)

Figura 4.25. Nodos de la placa inferior en la zona de contacto cuyos esfuerzos radiales, sobre el eje X, son determinados.

Zona de contacto


CENIDET 57

(b)

(c)

4.2.4 Efecto en los esfuerzos tangenciales de tensión

Se determinó que el incremento de la fuerza de apriete en el proceso de remachado produce

una mayor expansión del remache dentro del agujero de las placas y por lo tanto un mejor

apriete entre los elementos. Por otro lado una mayor expansión del remache puede

interpretarse en una mayor presión sobre la superficie del agujero de las placas y en una

mayor tendencia a la fractura de las mismas.

Para monitorear el comportamiento de las zonas críticas de la unión y su tendencia al posible

agrietamiento, se realizó la comparación de los esfuerzos tangenciales a tensión entre las

uniones sometidas a diferentes fuerzas de apriete durante el proceso de remachado como se

observa en la figura 4.27.

Figura 4.26. Gráficas de esfuerzos radiales compresivos en la placa inferior de las uniones; implementando una fuerza de remachado de: a) 4300 lb, b) 5300 lb y

c) 5800 lb.

Zona de contacto

Zona de contacto


CENIDET 58

a)

b)

c)

Figura 4.27. Esfuerzos tangenciales de tensión en la placa inferior de las uniones; implementando una fuerza de remachado de: a) 4300 lb, b) 5300 lb y c) 5800 lb.


CENIDET 59

Se encontró que los mayores esfuerzos se encuentran en la placa inferior de las uniones, tal

y como se aprecia en la figura 4.27a, 4.37b y 4.27c. Así mismo, se determinó que al

incrementar la fuerza de apriete en el proceso de remachado se incrementan los esfuerzos

tangenciales de tensión y por lo tanto, la tendencia a la fractura la placa inferior de la unión

debido a la excesiva presión interna ejercida por el remache.

Los máximos esfuerzos tangenciales de tensión se registran en la Tabla 4.6.

Tabla 4.6. Máximos esfuerzos tangenciales de tensión en la placa inferior de las uniones al aplicar en

el proceso de remachado una fuerza de: 4300 lb, 5300 lb y c) 5800 lb.

Es importante mencionar que estos esfuerzos de tensión se encuentran muy cercanos al

esfuerzo de fluencia de las placas (aluminio 2117-T4) y que si bien el endurecimiento por

deformación del material proporciona un cierto margen de seguridad, estas uniones al

someterse a una carga de trabajo de tensión, podrían estar propensas a la fractura al

combinarse con los altos esfuerzos residuales generados durante el proceso de remachado.

Por lo que antes de su aplicación, sería necesario un análisis de las uniones aplicando las

cagas de trabajo para determinar el riesgo de fractura de las mismas.

Fuerza de apriete (lb)

Máximo esfuerzo tangencial a tensión

(x103 psi)

4300 23.081

5300 23.767

5800 24.486


CENIDET 60

4.3 Ajuste inicial de la unión

Este análisis se centra en la determinación de los efectos que tiene el ajuste existente entre

el remache y las placas al iniciar el proceso de remachado. En esta parte de la investigación

se estudian ajustes con holguras. Estas holguras son aquellas que se producen debido a las

tolerancias en la fabricación del remache y a las tolerancias permisibles en el maquinado del

agujero en las placas de la unión.

En el caso de este estudio, se tiene un remache de 3/16 in (0.187 in) de diámetro para el

cual el fabricante [28] especifica una tolerancia de +0.005in y -0.002 in. Para las placas se

encontró que el agujero debe tener un diámetro mínimo de 0.187in y un diámetro máximo de

0.202 in [29].

Si el diámetro máximo del agujero se designa como ØMA y el diámetro mínimo del remache

como ØmR, se plantea el juego máximo entre el remache y las placas como:

Juego máximo = ØMA – ØmR (4.1)

Sustituyendo los valores correspondientes se obtiene que el juego máximo es:

Juego máximo = 0.202 in – 0.1855 in =0.0165 in (0.4191 mm).

Se simularon numéricamente uniones remachadas con los siguientes 4 ajustes: 0.0 in (0

mm), 2.362x10-3 in (0.06 mm), 3.937x10-3 in (0.1 mm) y 11.812 x10-3 in (0.3 mm). La fuerza

de apriete aplicada en el proceso de remachado fue de 4300Lb. Posteriormente se hicieron

las observaciones correspondientes con la finalidad de determinar el comportamiento de la

unión al variar el ajuste inicial entre el remache y las placas.

Los materiales implementados en las uniones y sus propiedades se especifican en la Tabla

4.7.


Al finalizar el proceso de remachado se observa un incremento en los esfuerzos residuales

respecto del aumento de la holgura inicial de la unión (ver figura 4.28). Esto puede atribuirse

a dos razones, estas son:

1. Al disminuir la holgura el remache se ve limitado por las placas a expandirse

radialmente de tal forma que existe menor deformación en el diámetro del remache.

Parte de la unión




(x103 psi)


10 40 48.370


10.3 24 55.691


CENIDET 61

Una mayor porción de las deformaciones totales en el cuerpo del remache

permanecen en el rango elástico por lo que los esfuerzos residuales se ven

directamente disminuidos; esto se observa en la figura 4.28a.

2. Al disminuir las deformaciones plásticas en el cuerpo del remache disminuye el

endurecimiento por deformación del material y por lo tanto, en el momento en que el

remache hace contacto con las placas ejerce una menor presión de contacto. En este

caso las deformaciones plásticas se producen más rápidamente en la zona

protuberante del remache, es decir, en donde se espera la formación de la cabeza

secundaria.

Adicionalmente, se observó que en la unión con ajuste perfecto (holgura = 0) existen dos

zonas de concentración de esfuerzos (figura 4.28a) a diferencia de las uniones con holgura

en las cuales resalta una sola zona de concentración de esfuerzos (figura 4.28b, 4.28c,

4.28d). Dichas zonas se deben a cambios geométricos que se encuentran al inicio del

avellanado de las placas y en la zona de formado de la cabeza secundaria. Es importante

recalcar que en las uniones con holgura inicial no se presenta concentración de esfuerzos en

la zona de avellanado debido a que en esta zona no existe contacto entre el remache y las

placas al terminar el proceso de remachado.

a) b)

c) d)

Cabeza

secundaria

Figura 4.28. Esfuerzos de Von Mises en la unión, implementando una holgura inicial de: a) 0.0 in (0.0 mm), b) 2.362x10-3 in (0.06 mm), c) 3.937x10-3 in (0.1 mm) y d) 11.812 x10-3 in (0.3 mm).


CENIDET 62

4.3.1 Efecto en la restitución elástica (springback)

Los resultados de este estudio paramétrico mostraron que al aumentar la holgura inicial de la

unión se disminuye la restitución elástica al terminar el proceso de remachado. Este

comportamiento puede observarse en la figura 4.29 en donde se muestra el aumento en las

deformaciones plásticas en el cuerpo del remache (color rojo) respecto del aumento en la

holgura de la unión; esta diferencia puede notarse también en la máxima magnitud de las

deformaciones plásticas que se muestra en la parte superior del recuadro de acotaciones de

las figuras.

a) b)

c) d)

En la figura 4.29 se puede observar la propagación de las deformaciones plásticas, las

cuales se ilustran en color rojo. Adicionalmente se puede percibir una disminución de la

magnitud de la deformación plástica compresiva máxima; esto se debe a que estas ya no

se ubican en la zona de formado de la cabeza secundaria del remache, sino que también se

propagan a la zona del cuerpo del remache.

Cabeza

secundaria

Figura 4.29. Deformaciones plásticas en dirección vertical (eje Y) de la unión, implementando una holgura inicial de: a) 0.0 in (0.0 mm), b) 2.362x10-3 in (0.06 mm), c) 3.937x10-3 in (0.1 mm) y

d) 11.812 x10-3 in (0.3 mm).


CENIDET 63

La disminución del fenómeno de springback al aumentar la holgura de la unión puede

mejorar el contacto entre las placas de la unión. Sin embargo, debido a que la deformación

radial del remache no es constante pueden presentarse situaciones complejas de contacto

durante el llenado del agujero por el cuerpo del remache. El análisis del comportamiento de

las zonas de contacto se presenta a continuación.


Debido a la disminución del fenómeno springback al aumentar la holgura inicial de la unión y

a la deformación radial no uniforme del cuerpo del remache, pueden resultar zonas en las

que el área de contacto sea pequeña y con concentración de esfuerzos por contacto, dando

lugar a la generación de posibles zonas propensas a la falla. Por tal motivo, resulta

importante realizar un análisis del comportamiento de las zonas de contacto entre el

remache y las placas de la unión con la finalidad de determinar las ventajas y desventajas

de incrementar la holgura inicial de la unión.

En la figura 4.30 se ilustra el aumento de la zona de contacto en la región de la cabeza y la

placa avellanada, la cual se señala con líneas rojas ubicadas en cada ilustración. Se

determinó que un 70% de la holgura inicial recomendada por el fabricante disminuye la

recuperación elástica del material, puede aumentar el área de contacto en un 35% del área

total el en la zona de avellanado (ver figura 4.30d), logrando reducir posibles zonas de

desgaste y en consecuencia zonas de falla.

a) b)

c) d)

Figura 4.30. Incremento de la longitud de la zona de contacto en la región avellanada de la unión, en función de la holgura inicial de: a) 0.0 in (0.0 mm), b) 2.362x10-3 in (0.06 mm), c) 3.937x10-3 in

(0.1 mm) y d) 11.812 x10-3 in (0.3 mm).


CENIDET 64

Un aumento en la holgura inicial afecta la calidad del llenado del remache en el agujero y por

lo tanto, disminuye el área de contacto entre el cuerpo del remache y las placas, lo cual se

ilustra con líneas de color rojo en la figura 4.31.

Se observó que al aplicar un 70% de la holgura máxima recomendada por el fabricante se

obtiene una disminución del 41% del área de contacto entre el cuerpo del remache y las

placas (ver figura 4.31d) respecto de la unión con ajuste de transición (ver figura 4.31a). Esto

podría contribuir a generar situaciones indeseables de cargas de impacto por movimiento

relativo entre el remache y las placas, y el desgaste por fretting en el cuerpo del remache,

disminuyendo la vida útil de la unión.

a) b)

c) d)

Al aplicar un ajuste de transición en la unión se observa un contacto completo y uniforme

entre el cuerpo del remache y las placas debido a que el cuerpo del remache se encuentra

restringido a deformarse radialmente; por tal motivo, se esperaría una distribución de presión

uniforme ejercida en las placas por el remache. Contrario a lo anterior, al aumentar la

holgura de la unión se daría lugar a deformaciones plásticas del remache y endurecimiento

Figura 4.31. Decremento de la longitud de la zona de contacto entre el cuerpo del remache y las placas de unión, implementando una holgura inicial de: a) 0.0 in (0.0 mm), b) 2.362x10-3 in (0.06

mm), c) 3.937x10-3 in (0.1 mm) y d) 11.812 x10-3 in (0.3 mm).


CENIDET 65

por deformación del material lo cual podría traer como consecuencia deformación no

uniforme del mismo y una presión de contacto no uniforme sobre las placas. Este análisis se

lleva a cabo a continuación.


Se ha establecido que el remache genera un mejor ajuste con placa inferior de la unión

debido a la tendencia de deformación del cuerpo del remache. Debido a esto, se graficó la

distribución de esfuerzos radiales compresivos en la zona de contacto del cuerpo del

remache con la placa inferior. Las gráficas generadas se muestran en la figura 4.32, donde

se puede percibir que el comportamiento de la presión de contacto tiene una tendencia

uniforme o lineal en la zona media de la placa y se vuelve no lineal al aproximarse a las

esquinas de la placa, es decir, a los cambios de sección, este comportamiento se debe a la

concentración de esfuerzos por el cambio de geometría (ángulo de 90°) en las esquinas de

las placas y a altas deformaciones en dichas zonas debido al apriete axial ejercido por el

remache en éstas mismas zonas.

a)

b)


CENIDET 66

d)

Cabe mencionar que, como se presentó en la figura 4.31, al disminuir la holgura de la unión

hay una tendencia a generarse contacto entre el cuerpo del remache y la placa superior; en

estos casos, se debe considerar el esfuerzo máximo en la zona de contacto con la placa

superior. En la tabla 4.8 se muestran los esfuerzos radiales compresivos máximos obtenidos

en los extremos superior e inferior de la zona de contacto tomando en cuenta que el esfuerzo

superior puede ubicarse en la placa superior de la unión. La ubicación de estos esfuerzos se

muestra con puntos rojos en la figura 4.31.

c)

Figura 4.32. Distribución de los esfuerzos radiales compresivos en la placa inferior de la unión debido

al contacto con el remache, implementando una holgura inicial de: a) 0.0 in (0.0 mm), b) 2.362x10-3

in (0.06 mm), c) 3.937x10-3 in (0.1 mm) y d) 11.812 x10-3 in (0.3 mm).


CENIDET 67

Tabla 4.8. Máximos esfuerzos radiales compresivos entre el cuerpo del remache y las placas, implementando una holgura inicial de: 0.0 in (0.0 mm), 2.362x10-3 in (0.06 mm), 3.937x10-3 in (0.1

mm) y 11.812 x10-3 in (0.3 mm).

Al aumentar la holgura inicial de la unión disminuye la zona de contacto entre el remache y

las placas al igual que la presión de contacto entre estos y en consecuencia el apriete de la

unión.

En casos de uniones remachadas sometidas a cargas estáticas, es probable que pueda

admitirse mayores holguras en la unión sin poner en riesgo la integridad de la misma. Por

otro lado, en casos de cargas dinámicas, es muy probable que las holguras representen

posibles zonas de desgaste por movimiento relativo entre los cuerpos.


Se determinó la magnitud y distribución de los esfuerzos tangenciales en la unión como un

parámetro para la detección de las zonas en las que se ve favorecida la propagación de las

microgrietas generadas por deformaciones plásticas.

En la figura 4.33 se señala la ubicación de las zonas con los máximos esfuerzos

tangenciales de tensión en las placas. Es importante resaltar que en esta figura se muestra

también, en color negro, la distribución de zonas en donde los esfuerzos tangenciales son

compresivos. Estas zonas son deseables debido a que disminuyen la posibilidad de

propagación de grietas en la unión.

a) b)

Holgura inicial de la unión (in)

Máximo esfuerzo radial compresivo superior (x103 psi)

Máximo esfuerzo radial compresivo inferior (x103 psi)

0.0 23.509 35.671

0.002362 11.700 32.528

0.003937 6.958 32.460

0.011812 21.064 27.180


CENIDET 68

c) d)

En virtud de que las placas son las partes más propensas a la fractura debido a los

esfuerzos tangenciales de tensión, se tabuló la máxima magnitud de dichos esfuerzos en la

placa inferior para cada uno de los modelos en los que se varió la holgura.

En la Tabla 4.9 se muestran los máximos esfuerzos tangenciales de tensión que se

encontraron en las zonas señaladas en la figura 4.33. En la tabla puede observar un

aumento de los esfuerzos en el primer incremento de la holgura. Esto se atribuye a que el

remache tiene la oportunidad de deformarse durante el llenado del agujero lo que provoca el

endurecimiento por deformación del material del mismo. Posteriormente durante la formación

de la cabeza secundaria del remache, las placas presentan una reducción de la deformación

plástica (ver figura 4.34), donde se muestra una disminución de la máxima deformación

plástica compresiva de -8.692x10-2 en la figura 4.34a a -8.655x10-2 en la figura 4.34b;

adicionalmente, hay una disminución en la distribución de dichas deformaciones, esta puede

notarse con ayuda de las líneas Por lo tanto, a causa de esta disminución de deformaciones

plásticas, se produce un aumento de los esfuerzos tangenciales de tensión.

Tabla 4.9. Máximos esfuerzos tangenciales de tensión en las placas, implementando una holgura inicial de: 0.0 in (0.0 mm), 2.362x10-3 in (0.06 mm), 3.937x10-3 in (0.1 mm) y 11.812 x10-3 in

(0.3 mm).

Holgura inicial de la unión (in)

Máximo esfuerzo tangencial de

tensión (x103 psi)

0.0 22.958

0.002362 24.578

0.003937 23.086

0.011812 22.613

Figura 4.33. Distribución de los esfuerzos tangenciales de tensión en la unión, implementando una holgura inicial de: a) 0.0 in (0.0 mm), b) 2.362x10-3 in (0.06 mm), c) 3.937x10-3 in (0.1 mm) y d)

11.812 x10-3 in (0.3 mm).


CENIDET 69

Posteriormente se observa una tendencia a la disminución de los esfuerzos tangenciales de

tensión, esto se atribuye a que el remache debe llenar un mayor espacio en el agujero de las

placas y como consecuencia hay una disminución del contacto con la placa inferior así como

de la presión que ejerce el remache en esta zona. Como consecuencia de la disminución de

la presión de contacto entre el remache y la placa inferior, disminuye la tendencia a la

fractura de la placa.

a) b)

4.4. Coeficiente de fricción entre el remache y las placas de la unión

En este estudio se analizarón los efectos que el coeficiente de fricción entre los

componentes de la unión remachada tiene sobre la calidad de la unión. Para realizar este

estudio, se tomó el modelo numérico descrito en el apartado 3.4 y se realizaron

simulaciones del proceso de remachado aplicando los coeficientes de fricción que se

muestran en la tabla 4.10. Posteriormente se analizaron las deformaciones y los esfuerzos

para definir las alteraciones que sufre la unión.

Figura 4.34. Disminución de las deformaciones plásticas en dirección vertical, eje Y, de placa inferior de la unión, implementando una holgura inicial de: a) 0.0 in (0.0 mm),

b) 2.362x10-3 in (0.06 mm).


CENIDET 70

Tabla 4.10. Coeficientes de fricción usados en el estudio paramétrico.

Las superficies de contacto fueron definidas usando el algoritmo master-slave disponible en

Abaqus con la opción finite sliding. El contacto fue modelado entre el remache y las placas, y

entre las placas mismas, usando el modelo de fricción de Coulomb con los coeficientes de

fricción de la Tabla 4.10 para las simulaciones. Adicionalmente, se especificó contacto entre

el remache y la buterola con un coeficiente de fricción de 0.2, el cual permanece constante

en las tres simulaciones realizadas para el estudio. En la Tabla 4.11 se presentan los

materiales implementados en este análisis y sus propiedades.


4.4.1 Efecto en la restitución elástica (springback)

Se monitoreo la deformación plástica longitudinal total del remache y la restitución elástica

longitudinal del mismo para los tres modelos que componen este estudio. Como resultado de

las simulaciones se obtuvo los datos de la Tabla 4.12.

Materiales de la unión

Coeficiente de fricción

Modelo1 Aluminio Acero 0.2 (contacto lubricado) [42]

Modelo 2 Aluminio 6061-T6 Aluminio 6061-T6 0.34 [43]

Acero 1020 Acero 4619 0.54 [43]

Parte de la unión




(x103 psi)


10 40 48.37


10.3 24 55.70


CENIDET 71

Tabla 4.12. Restitución elástica del remache relativa a la deformación longitudinal total del mismo bajo diferentes coeficientes de fricción.

Un aumento del springback acorde al aumento del coeficiente de fricción fue encontrado. Se

encontró que la deformación total longitudinal del remache durante el proceso de carga

disminuye al aumentar la fricción; esto es debido a la oposición al movimiento longitudinal del

remache que ofrecen las placas debido a la fricción en la zona de contacto. En

consecuencia, las deformaciones plásticas longitudinales del remache son menores dando

lugar a mayor cantidad de deformaciones dentro del rango elástico y por lo tanto una mayor

restitución elástica.

Es importante mencionar que el comportamiento de la restitución elástica resulta complejo

debido a que una disminución en el coeficiente de fricción entre el remache y las placas se

manifiesta en mayor deslizamiento entre los cuerpos y mayor deformación en el remache.

Por el contrario, un aumento en el coeficiente de fricción entre el remache y las placas se

manifiesta en menor deslizamiento entre los cuerpos, y en consecuencia, mejor transferencia

de carga por fricción; menor deformación en el remache y mayor deformación en las placas

de la unión.

En la figura 4.35 se muestra como el aumento del coeficiente de fricción se traduce en una

mayor transferencia de carga entre el remache y las placas, provocando en estas un

aumento en la magnitud de las deformaciones axiales, eje Y.

a) b) c)

Coeficiente de fricción

Deformación longitudinal del remache antes de la

descarga (x10-1 in)

Restitución elástica longitudinal

después de la descarga (x10-3 in)

Restitución elástica relativa a la deformación

longitudinal total (%)

0.2 1.5538 1.7855 1.1491

0.34 1.5464 1.8087 1.1696

0.54 1.5459 1.7903 1.1581

Figura 4.35. Distribución de las deformaciones plásticas axiales (eje Y) en las placas, aplicando un coeficiente de fricción de: a) 0.2, b) 0.34 y c) 0.54.


CENIDET 72

En los análisis que se han hecho con anterioridad se observó que un aumento en el

fenómeno springback tiene como consecuencia una disminución de las áreas de contacto

entre los cuerpos que componen la unión. El análisis de las zonas de contacto se presenta a

continuación.


Los resultados mostraron un decremento del área de contacto del 2.4% en la zona de

avellanado de la unión al incrementar el coeficiente de fricción entre el remache y las placas

de 0.2 (ver figura 4.36a) a 0.54 (ver figura 4.36c), esto en consecuencia del aumento del

springback en el remache. Puede notarse entonces, que el coeficiente de fricción entre los

elementos de la unión no tiene efectos significativos en la zona de contacto del área

avellanada de la unión.

a) b)

c)

Así mismo, se visualizó una disminución del 10% de la zona de contacto entre el cuerpo del

remache y las placas al aumentar el coeficiente de fricción de 0.2 (ver figura 4.37a) a 0.54

(ver figura 4.37c), La disminución del área de contacto se observa marcado con líneas de

color rojo en la figura 4.37. Resulta de importancia recalcar que aplicando un coeficiente de

Figura 4.36. Disminución de la zona de contacto en la región de avellanado con respecto al coeficiente de fricción en la unión, donde: a) 0.2, b) 0.34 y c) 0.54.


CENIDET 73

fricción de 0.54 (ver figura 4.37c) el cuerpo del remache tiene contacto solamente con la

placa inferior, lo cual indica que el coeficiente de fricción es un parámetro que influye

directamente en la calidad del llenado del agujero por el cuerpo del remache.

a) b)

c)

Con la finalidad de analizar la influencia del coeficiente en el llenado del agujero de las

placas por el remache se grafican los desplazamientos radiales, dirección X, de los nodos de

la zona de contacto del cuerpo del remache con las placas aplicando los diferentes

coeficientes de fricción como se muestra con color rojo en la figura 4.38.

Figura 4.37. Disminución de la zona de contacto entre el cuerpo del remache y las placas con respecto al coeficiente de fricción en la unión, donde: a) 0.2, b) 0.34 y c) 0.54.

Figura 4.38. Nodos del remache, en color rojo, en la zona de contacto cuyos desplazamientos radiales, sobre el eje X, después del proceso de remachado son graficados.


CENIDET 74

Las gráficas obtenidas se muestran en la figura 4.39; donde las líneas horizontales amarillas

muestran la zona en la que el remache entra en contacto con las placas. La longitud desde

0.0 in hasta 0.055 in corresponde al contacto del remache con la placa superior y la zona

comprendida entre 0.055 in y 0.18 in corresponde al contacto del remache con la placa

inferior. De las gráficas se puede visualizar que al aumentar el coeficiente de fricción se

disminuye la expansión del remache en la zona de interacción con la placa superior, como se

observa en los recuadros color verde, y por lo tanto se pierde el contacto con esta placa (ver

figura 4.39c). Adicionalmente se puede observar una mayor expansión del remache en la

zona de contacto de la cabeza formada del remache con la placa inferior, esta zona se

muestra con recuadros color azul.

a)

a)

b)


CENIDET 75

c)

Los datos obtenidos de las gráficas de la figura 4.39 llevan a la conclusión de que al

aumentar el coeficiente de fricción en la unión disminuye el deslizamiento entre el cuerpo del

remache y las placas de tal forma que la expansión del remache es menor en la zona de

avellanado y mayor en la zona de formado de la cabeza secundaria. Se puede concluir que

un aumento del coeficiente de fricción en la unión se traduce en una reducción de la calidad

del llenado del agujero de las placas y por lo tanto, de la zonas de contacto; pudiendo

generar problemas de desgaste y/o falla por fatiga en la unión.


Se monitorearon los esfuerzos radiales en los nodos de la placa inferior en la zona de

contacto con el cuerpo del remache utilizando diferentes coeficientes de fricción. La

ubicación de estos nodos se muestra en la figura 4.40.

.

Figura 4.39. Gráficas de los desplazamientos radiales del remache a lo largo de la zona de interacción con las placas aplicando en la unión un coeficiente de fricción de: a) 0.2, b) 0.34 y

c) 0.54.

Figura 4.40. Nodos de la placa inferior en la zona de contacto, con color rojo, cuyos esfuerzos radiales, sobre el eje X, son graficados.


CENIDET 76

Para una mejor visualización de los resultados, se graficaron los esfuerzos radiales

encontrados en los nodos como se muestra en la figura 4.41.

Al analizar los resultados se determinó que un aumento en el coeficiente de fricción entre los

componentes de la unión disminuye el apriete entre el cuerpo del remache y la zona media

de la placa inferior, y aumenta en la zona de la esquina de la placa inferior con la cabeza

formada del remache. Esto concuerda con las observaciones que se hicieron de la figura

4.39, en donde se puede observar que la mayor deformación radial de la placa se da en la

esquina de la zona de contacto con la cabeza formada del remache y que esta deformación

aumenta respecto de la fricción en la unión.

Así mismo se encontró una disminución de los esfuerzos radiales en la zona media de la

placa inferior, lo cual corresponde a la disminución de la expansión del remache que se

observó en las gráficas de la figura 4.39.

Por otro lado, se puede observar en figura 4.41c que una porción de la zona de contacto de

la placa inferior que no está esforzada. Esta zona no esforzada corresponde a la zona que

esta fuera de contacto con el remache y que se dedujo en la figura 4.37c.

De los datos presentados se puede deducir que un aumento en la fricción entre los

componentes de la unión se traduce en pérdida de zonas de contacto y en una disminución

del apriete entre el remache y las placas de la unión.

a)


CENIDET 77

b)

c)


Al realizar el análisis correspondiente a los esfuerzos tangenciales de tensión se encontró

que los esfuerzos máximos no solo cambiaron de magnitud sino también de posición como

se muestra en la figura 4.42. Se puede notar que los esfuerzos tangenciales máximos de la

placa inferior que inicialmente se ubicaban en la superficie de contacto con la cabeza

formada del remache (ver figura 4.41a), al aumentar el coeficiente de fricción se encontraron

en la zona de contacto con el cuerpo del remache (ver figura 4.41b y 4.41c).

Figura 4.41. Esfuerzos radiales compresivos en la zona de contacto de la placa inferior de las uniones, aplicando un coeficiente de fricción de: a) 0.2, b) 0.34 y c) 0.54.


CENIDET 78

a)

b)

c)

Figura 4.42. Esfuerzos tangenciales de tensión en la placa inferior de las uniones,

implementando un coeficiente de fricción de: a) 0.2, b) 0.34 y c) 0.54.


CENIDET 79

Por otra parte se encontró que un aumento en la fricción entre los componentes de la unión,

reduce la magnitud de los esfuerzos tangenciales de tensión en las placas de la unión, como

se muestra en la Tabla 4.13. Esto que puede interpretarse como una menor tendencia a la

fractura de la unión y por lo tanto en una mayor calidad de la misma.


aplicar un coeficiente de fricción de: a) 0.2, b) 0.34 y c) 0.54.

Las franjas de color negro que se presentan en las placas en la zona de contacto con el

cuerpo del remache representan esfuerzos radiales compresivos los cuales se generan

debido a las deformaciones plásticas en las placas. La distribución de estas franjas negras

concuerda con la distribución de deformaciones plásticas halladas en las placas que se

ilustraron en la figura 4.35.

4.4.5 Efecto en el deslizamiento entre el remache y las placas

Se monitoreó el movimiento relativo vertical entre dos nodos correspondientes al cuerpo del

remache y a la placa. Estos fueron seleccionados en las zonas en donde se encontró mayor

expansión del remache y por tanto en donde habría mayor resistencia al deslizamiento entre

los cuerpos.

La ubicación de los nodos seleccionados se muestra en la figura 4.43.

Coeficiente de fracción en la

unión ( µd)

Máximo esfuerzo tangencial a tensión

(x103 psi)

0.2 23.08

0.34 12.69

0.54 8.60

Figura 4.43. Ubicación de los nodos entre los cuales se registró el movimiento relativo vertical, eje Y, aplicando diferentes coeficientes de fricción en la unión.


CENIDET 80

En la Tabla 4.14 se muestran los desplazamientos de cada nodo y el desplazamiento relativo

entre estos mismos durante el proceso de aplicación de la fuerza de remachado aplicando

los diferentes coeficientes de fricción.

Tabla 4.14. Desplazamientos de los nodos seleccionados, variando el coeficiente de fricción en la unión.

De los resultados obtenidos en la Tabla 4.14 se puede deducir tres puntos importantes

respecto del aumento de la fricción en la unión.

1. El remache tiene una menor deformación longitudinal debido a la resistencia que se

le presenta debido a la fuerza de fricción en las zonas de contacto con las placas.

2. Las placas presentan una mayor deformación en dirección vertical Y, a lo largo del

espesor, debido al aumento de carga por fricción a través del remache. Esto

concuerda con los resultados que se muestran en la figura 4.35.

3. La magnitud del movimiento relativo entre el cuerpo del remache y las placas

disminuye al aumentar la fuerza de fricción.

Es importante recalcar que si hay un aumento de fricción en la unión y tomando en cuenta el

deslizamiento que existe entre el remache y las placas de la unión; puede presentarse

abrasión en los materiales y por lo tanto presencia de residuos no deseables durante el

proceso de remachado, los cuales pueden afectar la integridad de la unión.

Coeficiente de fracción en la

unión ( µd)

Desplazamiento del nodo del

remache (x10-3 in)

Desplazamiento del nodo de la placa (x10-3 in)

Desplazamiento relativo entre los nodos

(x10-3 in)

0.2 7.921 1.347 6.574

0.34 7.580 1.373 6.207

0.54 7.258 1.550 5.708

Capítulo 5 Conclusiones y recomendaciones

CENIDET 81

CAPÍTULO 5

CAPITULO 5

5. Conclusiones y recomendaciones

En este trabajo se analizó el proceso de remachado implementado en uniones con

remaches tipo sólidos de cabeza avellanada. Se realizaron estudios paramétricos del

proceso de remachado. Estos estudios paramétricos incluyeron variaciones en la rigidez de

los elementos de la unión y en la fuerza de apriete aplicada en el proceso de remachado. Por

otro lado, se analizó la influencia del ajuste inicial de la unión y del coeficiente de fricción

entre el remache y las placas de la misma.

Los estudios paramétricos fueron realizados con la finalidad de determinar la influencia que

cada uno de ellos tiene sobre la integridad de la unión. Para esto, se analizaron aspectos

importantes de la unión como son: la restitución elástica del remache, variación de las zonas

de contacto, distribución de los esfuerzos radiales compresivos y tangenciales de tensión

como parámetros para definir el apriete en la unión y la detección de zonas posibles de

agrietamiento.

5.1 Conclusiones

A continuación se presentan las conclusiones correspondientes a los estudios paramétricos

realizados.

1. Efecto de la rigidez de los elementos en la unión.

Un remache de material blando comparado con el material de las placas

presenta mejor llenado de los agujeros, mejores zonas de contacto en la unión

y menor concentración de esfuerzos tangenciales de tensión. Cabe mencionar

que dichos esfuerzos de tensión, en magnitudes cercanas al esfuerzo de

fluencia del material, aumentan la posibilidad fractura de las placas. Lo

anterior debido a excesiva presión interna en los agujeros.

Si el material del remache es cambiado de tal forma que haya una

disminución del 80% en el esfuerzo de fluencia del mismo; puede obtenerse

una disminución de la restitución elástica de hasta un 80%. En consecuencia

puede haber un incremento de la zona de contacto entre las placas de hasta


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un 48% (ver apartado 4.1.5). Por lo tanto se incrementa la transferencia de

carga por fricción entre las placas de la unión debido al aumento de las zonas

de contacto.

Un remache cuyo material tenga un esfuerzo de fluencia menor que el

material de las placas y un coeficiente de endurecimiento por deformación

mayor que las mismas resulta beneficioso en cuanto a la calidad del llenado

del agujero y una mayor generación de zonas de contacto.

En el apartado 4.1.2 de este trabajo, se confirmó que respecto de una unión

en la que el remache es más rígido que las placas; al tener un remache cuyo

material es 40% menos rígido que el material de las mismas, se obtiene un

aumento de área de contacto de 75% en la zona de avellanado y del 48% en

el área de contacto entre las placas.

Un aumento de la rigidez del material del remache más resultará en la

necesidad de implementar una mayor fuerza durante el remachado y en

consecuencia en un aumento en la magnitud de los esfuerzos en las placas

debido a la expansión de las mismas.

En el apartado 4.1.5 se investigó y se determinó que bajo las mismas

condiciones de deformación del remache, un aumento del 380% de la rigidez

del remache provoca un aumento del 115% en los esfuerzos tangenciales de

tensión en las placas. Esto es debido a la mayor presión interna en el agujero

de las placas ejercida por el remache. El aumento de estos esfuerzos, en

casos extremos, puede llevar a la fractura de las placas durante el proceso de

remachado.

2. Efecto de la variación de la fuerza de apriete en la unión.

Un incremento en la fuerza de apriete se manifiesta en un mejor llenado del

agujero de las placas por el remache, mayores deformaciones plásticas en el

cuerpo del remache y por lo tanto una disminución de la restitución elástica

del mismo. En consecuencia, se provee un mejor contacto entre el remache y

las placas; disminuyendo posibles zonas de desgaste al someter la unión a

cargas dinámicas.

En el apartado 4.2.2 se comprobó que un incremento del 35% de la fuerza de

apriete usada en el remachado de la unión provocó un aumento en el área de

contacto del 38% del área total de la zona de avellanado, del 16% del área

total entre las placas y del 9% del área total entre el cuerpo del remache y las

placas.


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Un incremento en la fuerza de apriete en el remache llevará a un mejor apriete

en la unión, disminuyendo posibles movimientos relativos entre los

componentes durante el servicio de la misma. Sin embargo, este incremento

en el apriete de la unión conlleva un incremento en los esfuerzos tangenciales

tensionales, es decir, un incremento en la posibilidad de factura de las placas.

Es importante mencionar, que un incremento en la fuerza de apriete en la

unión suficientemente grande para provocar esfuerzos tangenciales de

tensión mayores al esfuerzo máximo del material, puede resultar en la fractura

de la unión durante el proceso de remachado. Esto, si el remache es lo

suficientemente rígido.

En el apartado 4.2.3 y 4.2.4 se comprobó que un incremento del 35% de la

fuerza de apriete usada en el remachado de la unión provocó un aumento del

50% en esfuerzos radiales compresivos (apriete) entre el cuerpo del remache

y la placa inferior; y un incremento del 6% en los esfuerzos tangenciales de

tensión en la placa inferior.

3. Variación del ajuste inicial de la unión.

Una mayor holgura provee como beneficio un aumento del contacto entre el

remache y la placa superior en la zona de avellanado. Por otro lado, tiene

como consecuencia una disminución de la superficie de contacto entre el

cuerpo del remache y las placas. Es evidente que al aumentar la holgura de la

unión, la calidad del llenado del agujero de las placas se ve afectada.

De los resultados obtenidos en el apartado 4.3.3 se confirmó que aplicando un

ajuste de transición, se obtiene la mayor área de contacto entre el cuerpo del

remache y las placas (98%) y un área de contacto nula en la zona de

avellanado.

Al aplicar un 70% de la holgura máxima recomendada por el fabricante se

obtuvo una disminución del 41% de la zona de contacto entre el cuerpo del

remache y las placas; y 35% de contacto del área total en la zona de

avellanado.

Una menor holgura provee un apriete uniforme entre el cuerpo del remache y

las placas, sin embargo, la concentración de esfuerzos en las cambios de

sección de los elementos es mayor. Por otro lado, al aumentar la holgura, la

distribución del apriete en esta zona, no solo disminuye al igual que el área de

contacto, sino que se vuelve no uniforme.


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En base al análisis de zonas de contacto y de esfuerzos sé determina que el

ajuste inicial de la unión debe ser con una holgura dentro del rango de

2.362x10-3 in (0.06 mm) y hasta 11.812 x10-3 in (0.3 mm).

4. Variación del coeficiente de fricción en la unión.

Un aumento en el coeficiente de fricción entre el remache y las placas de la

unión tiene como consecuencia un menor deslizamiento entre dichos cuerpos

durante el proceso de remachado. Esto lleva a menores deformaciones

longitudinales del remache y por lo tanto un aumento de la restitución elástica

del mismo.

Un incremento de la fricción permite una disminución de las superficies de

contacto tanto en la zona de avellanado como en la zona de los agujeros de

las placas.

En el apartado 4.4.2 de este trabajo se confirmó que un aumento del

coeficiente de fricción de 0.2 a 0.54 tiene como efecto una disminución de

área de contacto del 2.4% en la zona de avellanado y del 10% en la zona de

contacto entre el cuerpo del remaches y las placas.

En general, un aumento de fricción en la unión disminuye la calidad del

llenado del remache. Esto trae como consecuencia una mayor expansión del

remache en la zona de formado de la cabeza secundaria del remache,

incrementando los esfuerzos y deformaciones en la placa inferior y pudiendo

en esta zona, generarse agrietamiento por deformaciones plásticas.

En el apartado 4.4.3 se comprobó que un aumento del coeficiente de fricción

de 0.2 a 0.54 incrementa la concentración de esfuerzos radiales compresivos

en la placa inferior en un 60%, y disminuye el apriete entre el remache y la

placa inferior en un 13.6%.

Un aumento del coeficiente de fricción entre el remache y las placas de unión,

favorece en la trasferencia de carga entre estos mismos durante el proceso de

remachado. Esto lleva a deformaciones plásticas en las placas y por lo tanto a

una disminución de los esfuerzos tangenciales de tensión, disminuyendo la

posibilidad de propagación de grietas en dichas zonas.

En el apartado 4.4.4 se encontró que un aumento en el coeficiente de fricción

de 0.2 a 0.54 tiene como efecto una disminución del 62.7% en el máximo

esfuerzo tangencial de tensión de la placa inferior.


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Un incremento del coeficiente de fricción de 0.2 a 0.54 produjo una

disminución del 13.2% en el movimiento relativo entre el cuerpo del remache y

las placas durante el proceso remachado.

Un incremento de fricción en combinación con los deslizamientos entre los

cuerpos, puede producir desgaste y/o daño superficial en la zona de contacto

y en consecuencia presencia de residuos no deseables que pueden afectar la

vida útil de la unión.

La Tabla 5.1 muestra los efectos más importantes que pueden obtenerse respecto de la

variación de los parámetros que se estudiaron en este trabajo. Los símbolos + y -,

representan respectivamente un aumento y una disminución del efecto del parámetro. Un

aumento de las zonas de contacto de la unión es deseable (+) debido a que incrementa la

transferencia de carga por fricción entre los elementos y disminuye la probabilidad de

presencia de fretting en la unión. Por otro lado, es deseable una disminución (-) de los

esfuerzos tangenciales de tensión debido a que estos al superar el esfuerzo de fluencia del

material ponen en riesgo la integridad de la unión. Finalmente, un aumento en los esfuerzos

radiales compresivos (+), es deseable debido a que representa un mayor apriete en la unión

y, por lo tanto, menor deslizamiento entre el remache y las placas al estar sometidas a

cargas dinámicas.

Tabla 5.1 Efectos de las variaciones paramétricas en la unión.

Efecto en la unión

Contacto en la zona de avellanado.

Contacto entre las placas

Contacto del cuerpo del remache con los

agujeros

Esfuerzos radiales

compresivos

Esfuerzos tangenciales de tensión

Pa

rám

etr

o

Disminución de la rigidez

del remache

+ + + - -

Aumento de la fuerza de

apriete + + + + +

Aumento de la holgura

inicial + + - - -

Aumento del

coeficiente de fricción

- - - - -


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5.2 Recomendaciones

1. Realizar un estudio experimental del proceso de remachado para la detección de

posibles microgrietas generadas por deformaciones plásticas en la placa inferior de la

unión.

2. Aplicar una teoría de falla apropiada para la determinación de zonas más propensas

a fallas debido a las deformaciones plásticas. Por ejemplo: diagrama de límite de

formado.

3. Realizar un estudio del proceso de remachado usando modelos numéricos

tridimensionales. Esto con la finalidad de permitir deformaciones asimétricas en la

unión y un posible efecto de pandeo debido a la longitud del remache.

4. Analizar en el proceso de remachado, el efecto de otros parámetros como la

temperatura y la velocidad de la fuerza aplicada en el proceso.

5. Análisis dinámico del comportamiento de microgrietas (generadas durante el proceso

de remachado y/o por defectos del material) en zonas propensas a su propagación.

6. Realizar un estudio paramétrico del proceso de remachado con enfoque de

optimación de la calidad de la unión, involucrando cargas estáticas o dinámicas en

base a sus condiciones de trabajo.

Referencias

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TESIS DE MAESTRÍA EN CIENCIAS · Existe una gran diversidad de remaches, lo cual permite que tengan usos diversos. ... comparación con el método analítico..... 30 Figura 3.10