Diseño de troqueles de embutición profunda: guía de punzonado, troquelado, separación y reducción en varias etapas

Chapa de metal que entra en un troquel como una pieza plana y sale como un componente hueco y sin costuras; esa transformación depende completamente de qué tan bien esté diseñado el troquel. El diseño de matrices de embutición profunda no es una decisión única, sino una cadena de opciones de ingeniería, cada una de las cuales abre o cierra la ventana en la que se puede producir un conformado exitoso. Un radio de punzón mal especificado, un portapiezas de tamaño insuficiente o una holgura mal calculada pueden colapsar esa ventana por completo, produciendo chatarra agrietada o arrugada en un gran volumen. Las secciones siguientes analizan cada variable de diseño importante y explican qué controla cada una.

Lo que realmente controla el diseño de troqueles de embutición profunda

Un conjunto de herramientas de embutición profunda tiene tres miembros principales: el punzón, el troquel y el portapiezas. El punzón empuja la pieza plana hacia la cavidad del troquel. El troquel define la geometría exterior de la pieza terminada. El soporte de la pieza en bruto presiona contra la brida de la pieza en bruto para regular la cantidad de material que ingresa a la cavidad durante la carrera.

Cada miembro debe diseñarse en relación con los demás. El diámetro del punzón establece el diámetro interior de la copa extraída; El diámetro de la matriz es mayor por la cantidad de espacio libre de trabajo. El soporte en bruto se encuentra entre los dos, manteniendo la presión de contacto sobre la brida durante toda la carrera. Cuando las relaciones entre estos tres componentes son correctas, el metal fluye hacia adentro y hacia abajo sin arrugarse en la brida ni fracturarse en la punta del punzón. Cuando cualquier relación falla, uno de esos dos modos de falla aparece inmediatamente.

Para producción de gran volumen, juegos de troqueles de embutición profunda de grado automotriz agregue requisitos adicionales: mayor vida útil de la herramienta, estrecha consistencia entre piezas y compatibilidad con sistemas de transferencia automatizados. Esos requisitos intensifican la importancia de cada decisión de diseño que se describe a continuación.

Geometría de punzones y matrices: de dónde proviene la forma de la pieza

El radio de la punta del punzón y el radio de entrada del troquel son los dos parámetros geométricos más importantes en el diseño de troqueles de embutición profunda. Ambos controlan cómo se dobla el metal a medida que pasa del espacio plano a la pared dibujada.

Radio de la punta del punzón Normalmente se establece entre cuatro y ocho veces el espesor del material para los aceros estándar. Un radio demasiado pequeño concentra la tensión de tracción en la curvatura, lo que promueve el adelgazamiento y una eventual fractura. Un radio demasiado grande permite que el metal se pandee antes de ser capturado por la pared del troquel, lo que produce arrugas en la pared.

Radio de entrada del troquel (a veces llamado radio de la esquina del dado) gobierna la resistencia que encuentra la pieza en bruto cuando se pasa sobre el borde del dado. Un radio de matriz bien pulido y de tamaño adecuado reduce la fricción y permite que el material fluya suavemente hacia la cavidad. La práctica estándar establece este radio entre cuatro y diez veces el espesor del material, dependiendo de la relación de estiramiento y la ductilidad del material. Los radios de tamaño insuficiente aumentan el riesgo de desgarro; Los radios de gran tamaño en materiales delgados crean tramos sin soporte que se doblan formando arrugas.

Para piezas con secciones transversales cuadradas o rectangulares, los radios de las esquinas requieren atención individual. Las esquinas concentran la tensión de compresión durante el conformado, y los radios generosos de las esquinas (generalmente más grandes que los de piezas redondas equivalentes) permiten embuticiones más profundas en una sola operación sin que se arruguen las esquinas.

Espacio libre de trabajo entre punzón y matriz

La holgura es el espacio radial entre el punzón y la pared del troquel. Durante el estirado, el metal debe pasar a través de este espacio y, por lo general, se espesa ligeramente a medida que fluye hacia adentro. El espacio libre debe acomodar ese engrosamiento sin apretar el metal con tanta fuerza que la fricción aumente a niveles destructivos, y sin dejar tanto espacio que el metal se doble lateralmente formando arrugas en la pared.

Para la mayoría de los aceros con bajo contenido de carbono, el rango inicial aceptado es un espacio libre de trabajo de 1,07 a 1,15 veces el espesor del material por lado. Los materiales más duros o gruesos pueden requerir un espacio libre en el extremo superior de este rango. Los materiales más delgados y las tolerancias más estrictas en el espesor de la pared empujan el diseño hacia el extremo inferior. Sistemas de matrices progresivas para Matrices de embutición profunda progresiva para automoción de estaciones múltiples Aplique la misma lógica en cada estación sucesiva, con un espacio que normalmente se estrecha a medida que se reduce el diámetro de la copa y la uniformidad de la pared se vuelve más crítica.

Selección de materiales y su influencia en el diseño del troquel

El diseñador del troquel no puede elegir el material de la pieza, pero las propiedades del material determinan qué parámetros de diseño son factibles. Dos propiedades de la chapa son especialmente relevantes: el exponente de endurecimiento por deformación (valor n) y la relación de deformación plástica (valor r, también llamado coeficiente de Lankford).

Un valor n alto significa que el material se endurece rápidamente a medida que se estira, distribuyendo la deformación de manera más uniforme en la pieza en bruto. Esto permite relaciones de estiramiento más agresivas antes de la fractura. Un valor r alto significa que el material resiste el adelgazamiento en la dirección del espesor y fluye preferentemente en el plano de la hoja, exactamente lo que requiere la embutición profunda. Los materiales con valores r altos se pueden estirar hasta alcanzar relaciones profundidad-diámetro mayores antes de que se alcance el límite de fractura de la punta del punzón.

En términos prácticos, un acero libre de intersticiales (IF) con valores r superiores a 1,8 permite diseños de matrices con profundidades de embutición única más profundas y relaciones de diámetro de pieza en bruto a punzón más grandes que un acero convencional con bajo contenido de carbono con valores r cercanos a 1,0. Las aleaciones de aluminio generalmente tienen valores r inferiores a 1,0, lo que significa que los diseños de troqueles para aluminio deben depender más de reducciones de estiramiento en múltiples etapas y de un control más cuidadoso del portapiezas para lograr la misma profundidad de copa. Los mismos principios se aplican al diseñar componentes de estampado automotriz de precisión donde las estrechas tolerancias dimensionales agravan los desafíos de variabilidad del material.

Reducción de sorteo en varias etapas: cuando una operación no es suficiente

Cuando la relación profundidad-diámetro requerida de la pieza terminada excede lo que un solo trefilado puede lograr de manera segura (generalmente una relación de trefilado superior a 2,0 a 2,2 para la mayoría de los aceros), el diseño debe incorporar múltiples etapas de trefilado. Cada etapa reduce el diámetro de la copa mientras aumenta su altura, y cada etapa tiene su propio punzón, matriz y portapiezas.

El primer estirado lleva el espacio en blanco plano a la relación de estirado máxima que permite el material. Los reestirados posteriores operan en la copa ya formada y pueden lograr relaciones de estirado de 1,2 a 1,4 por etapa porque el metal en la brida ya está parcialmente endurecido y conlleva menos riesgo de arrugas severas. Es posible que se requiera recocido entre etapas para materiales que se endurecen rápidamente, para restaurar la ductilidad antes de la siguiente reducción.

Los diseños de varias etapas añaden costos de herramientas y tiempo de prensado, pero a menudo son el único camino hacia la geometría requerida de la pieza. La comparación económica entre los enfoques de una sola etapa y de múltiples etapas está estrechamente ligada al volumen de producción, un factor explorado con más detalle en el artículo sobre Diferencias de costos entre productos de piezas de estampado de metal y embutición profunda. .

Perlas de extracción y presión del aglutinante: ajuste fino del flujo de material

Las cuentas de extracción son crestas elevadas mecanizadas en la superficie de la carpeta (soporte en blanco). A medida que la pieza en bruto se desliza sobre ellos durante el trazo de estiramiento, imponen una deformación por flexión y flexión que crea una resistencia adicional al flujo del material. Al variar la altura, el ancho y la posición de los cordones alrededor del perímetro en blanco, el diseñador del troquel puede controlar cuánto material ingresa a la cavidad del troquel en cada punto, redirigiendo el flujo lejos de las áreas propensas a rasgarse y hacia áreas que de otro modo podrían arrugarse.

El posicionamiento del cordón de tracción es especialmente importante para piezas no simétricas, como paneles de carrocería de automóviles, donde diferentes secciones del perímetro en blanco necesitan una resistencia al flujo muy diferente. Piezas con grandes áreas planas rodeadas de embuticiones profundas A menudo se requieren cordones para evitar que las áreas planas desarrollen distorsiones en la superficie debajo del aglomerante.

La presión del aglutinante complementa el diseño del cordón de tracción. El aglutinante debe aplicar suficiente fuerza para evitar que la brida se doble y forme arrugas, pero no tanta como para bloquear el flujo de material hacia la cavidad, lo que aumentaría la tensión de tracción en la pared de la copa hasta el punto de fractura. Por lo tanto, la presión correcta del aglutinante se encuentra dentro de una ventana de proceso cuyos límites están definidos por el límite de arrugamiento inferior y el límite de fractura superior. El siguiente artículo de esta serie aborda cómo interactúan la relación de estiramiento y la fuerza del portapiezas para definir y controlar esa ventana.

Lubricación y acabado superficial del troquel

La fricción en el radio de entrada de la matriz y la interfaz del portapiezas tiene un efecto directo sobre la tensión de tracción soportada por la pared de la copa. Una mayor fricción significa una mayor tensión en la pared, lo que acerca el proceso al límite de fractura. La lubricación eficaz reduce ese estrés y amplía la ventana del proceso.

El acabado de la superficie del troquel interactúa con la lubricación. Un radio de matriz pulido con una rugosidad superficial inferior a Ra 0,4 µm permite que el lubricante forme una película consistente, lo que reduce la variabilidad de la fricción. Las superficies rugosas o rayadas atrapan el lubricante de manera desigual e introducen concentraciones de tensión localizadas que pueden iniciar la fractura en tensiones de pared inferiores a las esperadas.

La selección del lubricante depende del material que se extrae. Los aceros con bajo contenido de carbono toleran una amplia gama de lubricantes, desde aceites ligeros para trefilado hasta compuestos pesados ​​EP (extrema presión). Las aleaciones de aluminio requieren lubricantes que no reaccionen con la superficie del metal, ya que los compuestos reactivos pueden provocar irritaciones y rayaduras en la superficie. Los aceros inoxidables, que se endurecen rápidamente, a menudo requieren lubricantes clorados para controlar las altas presiones de interfaz generadas durante el trefilado.

Selección de acero para herramientas y durabilidad del troquel

La vida útil del troquel en embutición profunda está limitada por el desgaste abrasivo en el radio de entrada del troquel y por la abrasión en la superficie del aglutinante. Ambos mecanismos se aceleran cuando la presión del aglutinante es alta, la película lubricante se rompe o el material en bruto contiene inclusiones abrasivas.

Los materiales de matriz estándar para la producción de volumen medio incluyen acero para herramientas D2 (aproximadamente 60–62 HRC después del endurecimiento) y DC53, que ofrece mejor tenacidad con una dureza similar. La producción automotriz de gran volumen a menudo exige insertos de carburo de tungsteno en el radio de entrada de la matriz, donde las tasas de desgaste son más altas. Los revestimientos de superficie (nitruro de titanio (TiN), carbonitruro de titanio (TiCN) o carbono similar al diamante (DLC) prolongan aún más la vida útil al reducir el coeficiente de fricción en la interfaz herramienta-pieza en bruto.

Para juegos de matrices de estampado de alta precisión Al centrarse en las tolerancias de los componentes de automóviles o vehículos eléctricos, la selección del acero para herramientas y las especificaciones del tratamiento térmico son tan críticos como los parámetros de diseño geométrico descritos anteriormente. Una matriz dimensionalmente perfecta maquinada a partir de acero tratado térmicamente incorrectamente fallará mucho antes de su vida útil prevista.

Simulación antes del acero: análisis de elementos finitos en el diseño de troqueles

El diseño moderno de troqueles de embutición profunda depende en gran medida del análisis de elementos finitos (FEA) para predecir los resultados del conformado antes de cortar cualquier metal. Las simulaciones FEA modelan la pieza en bruto como una malla de elementos deformables, aplican la carrera del punzón de forma incremental y calculan la tensión, la deformación y la distribución del espesor en cada punto de la pieza en bruto a lo largo de la carrera.

El resultado de una simulación bien calibrada incluye una superposición del diagrama de límite de formación (FLD), que muestra si alguna región del espacio en blanco se está acercando al límite de fractura o arrugamiento. Si la simulación predice fallas, el diseñador puede ajustar el radio del punzón, el radio del troquel, la presión del aglutinante, la geometría del cordón de embutición o la forma del espacio en blanco, iterando en software en lugar de en acero. Este proceso comprime significativamente el tiempo de prueba y reduce la cantidad de modificaciones físicas de la herramienta necesarias antes de que el troquel produzca piezas aceptables.

La calidad de la simulación depende de los datos precisos de la tarjeta de material, específicamente la descripción de la superficie de fluencia, los valores r, el valor n y la curva de tensión de flujo para la bobina de material específica que se utilizará en la producción. Los datos materiales genéricos producen predicciones plausibles pero poco fiables; Los datos específicos del material provenientes de pruebas de tracción y pruebas FLD producen predicciones que se traducen directamente en el comportamiento de la prensa.

Resumen: las variables de diseño que más importan

El diseño del troquel de embutición profunda se resuelve con un pequeño número de variables, cada una de las cuales debe establecerse dentro de un rango que depende de las demás. Los radios del punzón y del troquel determinan la gravedad de la curvatura en las transiciones. El espacio libre de trabajo se adapta al espesamiento del metal sin generar fricción destructiva. La relación de estiramiento establece el límite superior de deformación en una sola etapa. La presión del aglutinante y las perlas de tracción controlan el flujo de material alrededor del perímetro en blanco. La lubricación y el acabado de la superficie determinan qué parte de la presión permitida del aglutinante llega realmente a la pieza en bruto. La selección del acero para herramientas y del recubrimiento determina cuánto tiempo el troquel mantiene esas condiciones cuidadosamente establecidas.

Ninguna variable puede optimizarse de forma aislada. Un cambio en el radio de entrada del troquel cambia la presión óptima del aglutinante. Un cambio en la calidad del material cambia la relación de estiramiento factible. Esta interdependencia es la razón por la que el diseño de matrices de embutición profunda exige un enfoque sistemático y por qué hacerlo bien, desde la simulación hasta la prueba, produce piezas que Cumple con los exigentes requisitos estructurales y dimensionales para aplicaciones de ruedas y chasis. consistentemente a lo largo de millones de ciclos de producción.