Cobertura de los Seminarios

Embutido Profundo (Deep Draw) de la A, a la Z ¿Está intentando realizar más y más trabajos, requiriendo de troquelados complejos de piezas largas que reemplacen a los ensambles de partes múltiples? Entonces, es necesario que repase los fundamentos de la Embutición Profunda. Por BRAD F. KUVIN, EDITOR

4

METALFORMING / Otoño 2005

El leer los círculos de la rejilla de análisis circular permite a los estampadores del embutido profundo, comparar como el material puede moverse—estirarse, doblarse y embutirse—contra las expectativas que se tenían del material en el troquel.

n seminario patrocinado por la Precision Metalforming Association sobre la tecnología del Embutido Profundo, cubre temas como diseño de herramienta, material para las herramientas y recubrimientos, desarrollo del proceso de embutición (deep drawing), propiedades físicas de las hojas de metal, lubricantes y simulación por computadora. El Dr. William Riffe, profesor de Ingeniería de Manufactura en la Universidad de Kettering en Flint, Michigan, Estados Unidos, inició el seminario explicando que para tener éxito con el embutido profundo y para poder diagnosticar cualquier problema de calidad, los metalformers deben conocer las propiedades del material base que habrán de estampar.

U

Efectivamente, usted necesita conocer cuál es la fuerza de resistencia a la tensión del material para poder calcular la cantidad de tonelaje requerido por la prensa. Pero el conocer únicamente las típicas propiedades mecánicas del material, no es suficientes. Obtenga de su proveedor de materiales, las propiedades clave: exponente del esfuerzo de deformación (valor-n). Después compruébelo con su propia máquina de prueba de tensión. “La curva del esfuerzo de deformación, es la mejor de las herramientas en nuestra caja de herramientas. El conocer las propiedades de carga/deformación de los materiales que está formando es clave,” comenta Riffe. Durante las operaciones de http://mexico.pma.org

formado, el monitoreo minucioso del proceso resuelve muchos de los problemas antes de que se incrementen quedando fuera de control. El saber interpretar los círculos de la rejilla de análisis (véase foto) permite a los estampadores del embutido profundo, comparar como el material puede deformarse— contraerse, doblarse y tensarse— contra lo que se espera del material en el troquel. Usando esta invaluable herramienta, los estampadores pueden diseñar un proceso robusto capaz de hacer partes buenas aún cuando los parámetros del formado rebasan el punto óptimo, en lugar de operar “sobre el borde de la montaña,” donde un movimiento en falso puede convertirse en un desastre.

Principios para el Diseño y Herramentales A continuación, una discusión sobre las técnicas herramentales para lograr piezas grandes con el embutido profundo, dirigida por Peter Ulintz,

http://mexico.pma.org

gerente de desarrollo de productos avanzados en estampado de metal de Anchor Manufacturing Group, Cleveland, Ohio, Estados Unidos. Ulintz explicó los fundamentos de la embutición de copa y caja, reparación de fallas básicas en de tensión y desarrollo de troqueles para formas irregulares considerando su tensión. Ulintz comenzó definiendo a la embutición profunda como “un proceso en la cual la hoja de acero es jalada, o tensada, dentro de una cavidad del troquel, causando un reforzamiento de la hoja la cual se comprime en una dirección circunferencial. Una abrazadera o sostén de la hoja, crea la fuerza de retención para controlar el flujo del material.” La selección una prensa para el embutido profundo es crítica, no cualquier prensa será adecuada— comenta Ulintz. Los estampadores de metal deben seleccionar una prensa y diseñar el proceso para que toda la fuerza de la embutición— fuerza punzante más fuerza de retención—se encuentre disponible cuando se deslice

el material hacia el punto correspondiente de contacto entre el punzón y hoja de metal. Usando una prensa mecánica, la fuerza máxima del punzón para la embutición profunda ocurre al principio del golpe, y luego disminuye conforme baja la cantidad de material ha deformarse, enfatizó Ulintz. Las prensas hidráulicas, por otro lado, ofrecen toda la fuerza en el golpe en cualquier punto del ciclo del deslizado, a una constante y programable velocidad de deslizado, sólo que a velocidades más lentas de golpes/minuto, comparado con las prensas mecánicas. Los estampadores de embutido profundo que corren prensas mecánicas, deberían considerar el estudiar los diagramas de curvas de fuerza proporcionadas por el constructor de la prensa. Dichos diagramas de curvas grafican el rango porcentual de capacidad de fuerza de la prensa, VS. la distancia por sobre el fondo del golpe. Es importante también considerar la velocidad del deslizamiento—diferentes materiales

METALFORMING / Otoño 2005

5

Deep Draw pueden ser formados a diferentes velocidades máximas, correlacionándose a la velocidad de deslizamiento de la prensa. Por ejemplo, dice Ulintz, el acero inoxidable tiene una capacidad de formado típico de 35 pies/minuto, mientras que aceros bajos en carbón tienen una capacidad de 55 pies/minuto y los aceros blandos con calidad de embutido profundo, tienen una capacidad de formado que alcanza los 80 pies/minuto. Conociendo la velocidad del formado, la troqueladora puede especificar la velocidad del deslizado usando la siguiente ecuación: Velocidad de deslizado (pies/minuto) = [Golpe (pulgadas) x velocidad de formado (golpes/minuto)]/4 Cubriendo la embutición de copa, Ulintz determina dos importantes áreas de la parte—la pestaña donde la mayor parte de la deformación ocurre, y la pared, que soporta la fuerza necesaria para deformar la

6

METALFORMING / Otoño 2005

Rango Máximo de Embutición para Materiales Comunes Material

Máximo D/d

Acero CRDQ

2.15

Acero CRDQSK

2.20

Acero HRDQ

2.10

Acero Inoxidable (Tipo 302)

2.20

Latón, Cobre

2.10

Aluminio (Serie 1100)

1.80

Fig. 1—El atributo principal para evaluar la capacidad de la embutición de copa es el Rango Límite de Embutición, el rango del diámetro máximo del espacio o vacío de la copa donde se embutirá el material (D) que puede ser embutido dentro de una copa de diámetro (d). Esto se mantiene para cualquier profundidad de embutido.

pestaña. Si durante la formación, la copa de la pared fallara en tensión, es casi seguro que el diámetro de la hoja sea demasiado grande, causando un fuerza excesivamente alta que la pared no podrá transmitir. El atributo de la clave para calcular y evaluar la capacidad del formado, es el de Rango Límite de Deformación, (Limiting Drawing Ratio, LDR ver Fig. 1) el rango del diámetro máximo de la hoja (D) que puede formarse dentro del diámetro de la copa (d). Este cálculo es aplicable para cualquier formación de profundidad. LDR = D/d Los metalformers pueden obtener los valores de LDR de sus proveedores de material, incluyendo una estimación de cómo disminuiría el LDR con deformaciones subsecuentes en las diferentes aplicaciones debido al incremento del trabajo. Ulintz después explicó la influencia que tiene el radio del punzón en relación con la ubicación de la fuerza de tensión en la parte inferior de la copa, que es la parte

http://mexico.pma.org

Deep Draw más débil de la pared. Un radio más grande, dice, mueve el punto de falla hacia arriba en donde se encuentra material endurecido por un formado anterior durante el proceso de formado. Un punzón de base plana, en comparación con un punzón hemisférico, puede inducir menor adelgazamiento del material en el fondo de la copa. Pero si el radio del troquel se vuelve muy grande, la hoja de acero puede arrugarse. Nuevamente, los proveedores de metal ofrecen graficas comparativas entre grosor del material y el radio de deformación como un múltiplo del grosor del material. Algunas reglas generales: • El radio del embutido deberá ser de cinco a ocho veces el grosor del material; • La parte superior del poste del embutido debe dejarse burdo, para retardar el efecto de estiramiento del material alrededor del poste;

8

METALFORMING / Otoño 2005

• El radio del embutido del troquel deberá ser absolutamente suave y unirse perfectamente con las superficies planas. Ulintz concluyó refiriéndose al exceso, también conocido como sobrante o adendum (área de la cara del punzón que se extiende desde la línea de corte final del producto hacia fuera de la abertura del punzón) diseñada para asegurar la calidad de los paneles formados. Un diseño apropiado del addendum asegura un estiramiento uniforme del panel . Controla el balance del movimiento del material durante el formado con el uso de paredes de formado, barras formadoras, extensiones material u otras aplicaciones de diseño.

Materiales y Recubrimientos para Herramientas Las herramientas del embutido profundo se desgastan por abrasión y adhesión, por despostillado, por fisuras, por deformación plástica y

por fricción. De acuerdo con Brett Krause, un consultor técnico de la empresa manufacturera de herramientas de acero BohlerUddeholm North America, la deformación plástica ha crecido como una preocupación a medida que los estampadores utilizan más y más materiales con mayor fuerza de tensión. La herramienta del material se deformará plásticamente si se excede más allá del punto de fuerza El resultado se traduce en daños o cambios en la forma de las superficies de trabajo de la herramienta. Pueden ocurrir fisuras debido a concentraciones de tensión creadas por marcas dejadas en la herramienta mientras durante la rectificación o el maquinado o por características de diseño tales como esquinas afiladas o radios. La fricción trasera se presenta con materiales blandos con mas adhesión, tales como hojas con aleación de aluminio, y puede minimizarse con la especificación

http://mexico.pma.org

adecuada de velocidad de formado y presión, así como con la selección apropiada del lubricante. También es importante, menciona Krause, rectificar las herramientas en sentido longitudinal ya que marcas circulares en el punzón causan fricción durante la corrida. Continuando con la discusión sobre los materiales para herramientas—herramientas convencionales de acero, aleaciones de metal mejorado y metales vaciados— Krause dirige su atención hacia las técnicas para el mejoramiento de superficies, tales como el templado con soplete, carburización, nitración y recubrimientos.

material que la parte requiere, en lugar de basarse en el precio. Mientras que el departamento de compras intente ahorrarse algunos centavos por libra/kilo de acero, la insuficiencia de las propiedades del material, como el—valor-n—por ejemplo, puede causar un enorme gasto por desperdicios en el proceso de producción por fallas y errores. El lema de Keeler es: Conozca las

propiedades del material que requieran todas y cada una de las partes que va a estampar, y ordene material—aceros y otros—basado en las necesidades de cada parte. Su lista de propiedades claves en los materiales es: • Resistencia a la fluencia • Exponente de Endurecimiento/Deformación permanente (—valor-n—)

Stu Keeler Platica sobre las Propiedades de los Materiales Stuart Keeler, consultor y colaborador en esta revista, enfatiza la importancia de conocer la principal clave de las propiedades de los materiales que usted va a formar— valor-n—y entender cómo esto afecta sus posibilidades en sus procesos. “Compañías acereras conocen el— valor-n—o exponente de endurecimiento por uso, para las aleaciones que usted va a formar. “Pregunte por ellas” expresa Keeler. Un nivel más alto de—valor-n— indica una aleación que puede tener mayor capacidad de estiramiento y un estiramiento más uniforme. No es suficiente con que los estampadores se confíen en sus propias experiencias del pasado, dice Keeler, pues las tradicionales acciones correctivas de prueba y error no son aplicables a los materiales nuevos o a diseños innovadores. Las nuevas aleaciones, recubrimientos y lubricantes requieren de técnicas basadas en colección de datos para diseñar procesos y procedimientos de acciones correctivas creadas para cada parte. Por ejemplo, los estampadores se ahorrarán tiempo y dinero en su largo camino, si ordenan aceros y otros materiales básicos basándose en el rango de las propiedades del http://mexico.pma.org

METALFORMING / Otoño 2005

9

Deep Draw • Elongación Total • Especifique los valores máximos y mínimos de cada uno. Keeler concluye ofreciendo excelentes fuentes de información relacionadas con las propiedades de los materiales. • Aluminio para partes automotrices, La Asociación de Aluminio, www.aluminum.org • Guías de diseño con la selección y uso de acero inoxidable, La Industria de Aceros Especiales de Norte América, www.ssina.com • Guía para la selección y uso de aceros, Instituto Americano del Acero y del Hierro, www.autosteel.org

Selección y Uso de Lubricantes Controlar la fricción, reducir el desgaste, prevenir los escurrimientos y el goteo, y disipar el calor; eso es lo que esperan los estampadores de embutido profundo de sus lubricantes para el metalforming. “En resumen”

10

METALFORMING / Otoño 2005

dice Marvin Phillips, gerente de producción de Fuchs Lubricants, “el usar el lubricante correcto permitirá el uso de acero menos caro y tener un proceso más robusto.” Phillips presentó el tema de lubricantes de baja presión, muy útiles para las aplicaciones cortas de formado; y sobre aditivos de presión extrema (EP) requeridos para las aplicaciones de formación o embutición profunda. Los aceites comunes, explicó, pueden proveer lubricación, resistencia a la fricción y protección a la corrosión, pero no pueden ser diluidos y no ofrecen una disipación adecuada del calor en algunas aplicaciones. Los aceites solubles pueden eliminan más calor de la interfase de la herramienta/pieza de trabajo y son diluíbles. Los lubricantes sintéticos ofrecen óptima compatibilidad post-proceso, subraya Phillips, ya que permite a los estampadores soldar y pintar partes estampadas sin tener que remover el lubricante.

Mantenimiento para Materiales— Incrementando su Fuerza y Resistencia al Desgaste SAE 4140* SAE 6150* O1 A2 Aceros con 8%-por ciento-de cromo D2 Aceros PM Carburo Aleación con Hierro Fundido Aleación con Hierro Fundido D2 *Pre-endurecido, y luego reendurecido con soplete o carburizado

Fig 2.

http://mexico.pma.org

Deep Draw Resolviendo Virtualmente, los Problemas en el Taller La discusión del taller virtual, o el uso de simuladores de modelos de formado en una computadora, vinieron de Keeler y Ulintz, quienes explican los programas de simulación han reducido los tiempos de diseño y de pruebas del troquel. Estos programas constan de códigos que duplican una parte real y calculan la

rigidez o la deformación que sufre la parte al formarse. Ellos crean una cadena continua de eventos retroalimentados conectados a modelos diseñados con CAD; proceso de diseños, diseño de troqueles y el desarrollo de prototipos, permitiendo a los ingenieros correrlo lentamente, permitiendo a su vez, realizar un análisis factible para la validación del proceso en la prensa.

Ulintz y Keeler describen los programas más sencillos, aquellos que realizan un análisis básico en un solo paso. Se coloca la rejilla sobre la superficie de la pieza moldeada y se calcula el esfuerzo de cada rejilla deformada. Mientras que los programas de un solo paso no toman en cuenta las características de la prensa, el mantenimiento o la lubricación, crearán un diagrama del límite de deformación que establecerá el rango de severidad basado en la geometría del producto y en las propiedades del material, calculado en rejillas circulares que mostrarán los esfuerzos mínimos y máximos. Estos son ideales para analizar el diseño de la pieza así como para seleccionar el material base oportunamente durante la etapa del diseño del producto; evaluando el ¿qué pasaría? En diferentes escenarios. Hay programas más sofisticados, que incrementan la realización de análisis de esfuerzos, torceduras y adelgazamiento por cada pequeño movimiento incremental que hace el punzón. La información suministrada para correr este programa de simulación pueden incluir características de la prensa, geometría del troquel, configuración de la hoja y lubricación. Además de los resultados obtenidos por el análisis de un solo paso de este programa, los usuarios de software para este tipo de análisis, pueden obtener diagramas de curvas del tonelaje y señales a color de las arrugas y otras irregularidades en el material. Los usuarios pueden localizar qué tipo de fallas ocurrieron durante la corrida y rastrearlos a su origen. Keeler concluyó enfatizando que el operar una planta de estampado basándose en la prueba y el error como medida correctiva, o confiarse en experiencias y emociones pasadas, debe ser reemplazado por una buena base de datos como plan de ataque. Los ingenieros deben esforzarse en aplicar acciones correctivas relacionadas a la parte específica y en un modelo basado en el análisis para MF el futuro. http://mexico.pma.org