Relación de estirado y fuerza del soporte en blanco en embutición profunda: prevención de arrugas y grietas

Dos modos de falla abarcan cada operación de embutición profunda: arrugas y grietas. Se encuentran en lados opuestos de la misma ventana de proceso, y cada ajuste de parámetro que lo aleja de uno lo acerca al otro. La relación de dibujo y la fuerza del soporte en blanco son las dos palancas que definen dónde se ubica esa ventana y qué tan ancha es. Comprender cómo interactúan (y por qué) es la base de la prevención de defectos en la embutición profunda.

Relación de estiramiento: la medida principal de la gravedad de la deformación

La relación de estiramiento (DR) es la relación entre el diámetro de la pieza en bruto y el diámetro del punzón. Para una pieza en bruto de 200 mm extraída sobre un punzón de 100 mm, la relación de estiramiento es 2,0. Este número describe cuánto debe contraerse circunferencialmente la pieza en bruto para transformarse de un círculo plano a una copa y, por lo tanto, cuánta tensión de compresión debe soportar la brida durante el trazo de estiramiento.

La relación de estiramiento límite (LDR) es la relación de estiramiento máxima que un material determinado puede soportar en una sola pasada de estiramiento sin que la pared de la copa se fracture cerca de la punta del punzón. Para la mayoría de los aceros con bajo contenido de carbono con valores r favorables, el LDR se sitúa entre 2,0 y 2,3. Para las aleaciones de aluminio, normalmente es de 1,8 a 2,0. Para los aceros inoxidables, oscila entre 1,9 y 2,2 según el grado y el temperamento.

El LDR no es una constante material fija: cambia con las condiciones del proceso. Una mejor lubricación aumenta el LDR al reducir la tensión en la pared impulsada por la fricción. Un radio de entrada de matriz más grande lo eleva al reducir la resistencia a la flexión en el labio de la matriz. Una mayor fuerza del soporte en bruto lo reduce agregando una carga de fricción que la pared de la copa también debe soportar. La implicación práctica es que el LDR es una propiedad del sistema, no sólo una propiedad material, y debe evaluarse en el contexto del diseño completo de la herramienta y el proceso.

¿Qué sucede cuando el índice de empate excede el límite?

Cuando la relación de estiramiento excede el LDR, la pared de la copa no puede transmitir la fuerza necesaria para atraer el material restante de la brida hacia el troquel sin romperse. La fractura generalmente se inicia en el radio de la punta del punzón (el punto de máximo adelgazamiento de la pared) y se propaga rápidamente alrededor de la circunferencia. En producción, esto aparece como un desgarro limpio en la base de la pared de la copa, a menudo denominado fallo de "perforación".

El camino para salir de este modo de falla no siempre es reducir el tamaño del espacio en blanco. A veces, mejorar la lubricación, aumentar el radio de entrada del troquel o reducir la fuerza del aglutinante (dentro de los límites de arrugamiento) puede aumentar el LDR efectivo lo suficiente como para poner el tamaño en bruto existente al alcance. Si ninguno de esos ajustes es suficiente, una reducción de extracción en varias etapas es la respuesta de ingeniería correcta. el Sistemas de troqueles de embutición profunda de múltiples etapas utilizados en la producción de componentes para vehículos eléctricos. están diseñados específicamente para secuenciar las relaciones de extracción entre estaciones de modo que ninguna operación se acerque al límite del LDR.

Fuerza del titular en blanco: equilibrio entre dos riesgos en competencia

La fuerza del soporte de la pieza en bruto (BHF), también llamada fuerza de aglutinante o presión de sujeción de la pieza en bruto, es la fuerza de sujeción aplicada a la brida de la pieza en bruto durante todo el trazo de dibujo. Su función es evitar que la brida se pandee bajo tensión de compresión circunferencial, que es la causa fundamental del arrugamiento. Sin embargo, el BHF también aumenta la fricción que debe superar la pieza en bruto a medida que se desliza hacia adentro, lo que aumenta la tensión de tracción en la pared de la copa y puede causar grietas si se coloca demasiado alto.

Ésta es la tensión central del diseño del portapiezas: muy poca fuerza produce arrugas; demasiado produce grietas. El valor correcto se encuentra entre estos dos límites, y la brecha entre ellos (la ventana del proceso) se estrecha a medida que aumenta la relación de estiramiento, disminuye el espesor del material o se deteriora la calidad de la lubricación.

Una aproximación comúnmente utilizada para la presión inicial del portapiezas es 1,5% del límite elástico del material. , aplicado sobre el área de contacto entre el soporte en bruto y la brida. Para la primera extracción de una copa cilíndrica, el BHF total también se puede estimar como aproximadamente el 25 % de la fuerza de extracción. Estos son puntos de partida; Las configuraciones de producción reales requieren verificación mediante pruebas y ajustes según la condición de la pieza: la presencia de arrugas indica la necesidad de un BHF más alto, mientras que la fractura de la pared indica la necesidad de un BHF más bajo o una lubricación mejorada.

Fuerza variable del portapiezas: un enfoque más preciso

La fuerza fija del portapiezas es una aproximación inicial útil, pero no es óptima durante todo el trazo de extracción. Al comienzo de la carrera, el área de la brida es grande y el riesgo de arrugas es mayor; aquí es donde el BHF debe estar al máximo. A medida que avanza la carrera y disminuye el diámetro de la brida, la tensión de compresión en la brida disminuye y el requisito de BHF disminuye. Mantener un BHF alto hasta el final de la carrera agrega una carga de fricción innecesaria a la pared de la copa, lo que aumenta el riesgo de fractura sin proporcionar ninguna protección adicional contra las arrugas.

Los sistemas BHF variables (normalmente cojines hidráulicos o servocontrolados) aplican un perfil de fuerza variable en el tiempo sincronizado con la posición del punzón. El perfil comienza con una fuerza alta, se reduce a mitad de la carrera y puede aumentar nuevamente ligeramente cerca del final para controlar la recuperación elástica. Las investigaciones muestran consistentemente que el BHF variable amplía la ventana efectiva del proceso en comparación con el BHF fijo, lo que permite embuticiones más profundas y espacios en blanco más delgados que se fracturarían bajo una configuración de fuerza alta constante.

Los cojines de troquel controlados numéricamente (NC) van un paso más allá al aplicar diferentes presiones en diferentes zonas alrededor del perímetro del espacio en blanco, abordando la resistencia al flujo asimétrico inherente a las formas de piezas no redondas. Este enfoque es particularmente relevante para Matrices de embutición profunda para cubos de ruedas y chasis estructurales donde la geometría perimetral varía significativamente.

Arrugas: causas, tipos y correcciones

Las arrugas se producen cuando la tensión de compresión circunferencial en la pieza en bruto excede la resistencia al pandeo del material. Aparece en dos localizaciones distintas, cada una con una causa diferente y una estrategia de corrección diferente.

Arrugas en la brida es el tipo más común. A medida que el espacio en blanco se dibuja hacia adentro, su circunferencia debe disminuir: el material que se distribuyó alrededor de un círculo grande debe comprimirse en uno más pequeño. Si la presión del portapiezas es insuficiente para suprimir el pandeo fuera del plano que se produce, la brida desarrolla arrugas radiales que luego son arrastradas hacia la cavidad del troquel y aparecen como pliegues ondulados en la pared de la copa. La corrección es un BHF más alto, un mejor contacto con el aglutinante (asegurando que el aglutinante sea plano y paralelo a la brida) o cordones que agregan resistencia al flujo del material y aumentan la tensión radial en la brida.

Arrugas en la pared aparece en la pared vertical de la copa, independientemente del reborde. Es causada por una compresión circunferencial excesiva en la pared sin soporte entre el punzón y la matriz, y es más común en materiales delgados y relaciones de estiramiento grandes. Las arrugas en la pared no se pueden corregir solo con la fuerza del portapiezas; requiere una reducción del espacio libre del troquel, un ajuste del radio del punzón o una reducción en la relación de estirado a través de una etapa de estirado adicional.

• Fuerza insuficiente del portapiezas — la causa más frecuente de arrugas; La brida se levanta entre la carpeta y la cara del troquel, lo que permite el pandeo circunferencial.
• Radio de entrada excesivo del troquel — crea un tramo sin soporte donde el espacio en blanco pasa de la brida a la pared, lo que le da al material espacio para pandearse antes de ser capturado.
• Espacio libre de trabajo sobredimensionado — deja demasiado juego radial para el material de la pared, lo que permite el pandeo lateral durante el recorrido.
• La geometría en blanco no coincide — el exceso de material en sectores específicos de una pieza en bruto no redonda crea concentraciones de tensión de compresión localizadas que se pandean antes de que se haya formado el resto de la pieza en bruto.
• Uniformidad de lubricación inadecuada — la lubricación desigual crea una resistencia variable al flujo alrededor del perímetro, lo que hace que algunos sectores se alimenten más rápido que otros y acumulen tensión de compresión.

Cracking: causas, ubicaciones y correcciones

El agrietamiento en la embutición profunda es una falla por tracción. Ocurre cuando la tensión en la pared de la copa, que soporta la carga de arrastrar la brida restante hacia el interior del troquel, excede la resistencia a la tracción del material en la sección transversal más débil. Esa sección más débil casi siempre se encuentra en el radio de la punta del punzón, donde la flexión reduce el espesor y donde la tensión de tracción es mayor.

Los factores que impulsan el agrietamiento hacia arriba son los mismos factores que empeoran cualquier otra falla por tracción: mayor relación de estiramiento, mayor fuerza en el portapiezas, mayor fricción en el radio del dado o en la superficie del aglutinante, menor radio de entrada del dado (lo que aumenta la resistencia a la flexión) y material con baja ductilidad o bajo valor n. Cualquiera de estos factores, si se lleva demasiado lejos, puede fracturar una copa que, de otro modo, se formaría correctamente.

Las correcciones surgen de las causas. Reducir el BHF dentro del límite de arrugas es el ajuste más rápido disponible durante la prueba. Mejorar la lubricación, particularmente en el radio de entrada de la matriz, reduce la tensión de la pared impulsada por la fricción sin cambiar ninguna herramienta. El aumento del radio de entrada del troquel reduce la resistencia a la flexión en el labio del troquel. Si ninguno de estos ajustes es suficiente, se debe reducir la relación de estirado, ya sea reduciendo el tamaño del espacio en blanco (aceptando una copa más corta) o agregando una etapa de estirado para distribuir la deformación. el Implicaciones económicas de agregar etapas de embutición versus aceptar la pérdida de rendimiento por craqueo dependen del volumen de producción y del costo de la pieza, una decisión que debe tomarse en contexto.

El papel del tamaño y la forma del espacio en blanco en la prevención de defectos

La geometría de la pieza en bruto a menudo se trata como una entrada fija: el diámetro de la pieza en bruto se calcula a partir del área de superficie de la pieza terminada, y eso es todo. En la práctica, la optimización de la forma de la pieza en bruto es una poderosa herramienta de prevención de defectos, particularmente para piezas no redondas.

Para tazas redondas, lo correcto es un espacio en blanco circular. Para piezas rectangulares o irregulares, una pieza en bruto que coincida perfectamente con la superficie desarrollada de la pieza terminada tendrá exceso de material en algunos sectores y material insuficiente en otros en relación con el perímetro del troquel. Ese desequilibrio crea una resistencia desigual al flujo, lo que crea una distribución desigual de la tensión, lo que crea arrugas o fracturas localizadas en lugares predecibles.

La optimización de la forma de la pieza en bruto (ajustar el perímetro de una pieza en bruto no redonda para que cada sector avance al mismo ritmo) puede eliminar categorías enteras de defectos sin cambiar ninguna herramienta. La simulación FEA es la herramienta estándar para esta optimización, iterando el contorno en blanco hasta que el diagrama de límite de formación muestra márgenes de seguridad uniformes en todo el perímetro de la pieza. El espacio en blanco resultante rara vez es un simple rectángulo u óvalo; tiene muescas, relieves y contornos ajustados a la geometría específica del troquel a través del cual será dibujado.

Conectando la prevención de defectos con la calidad de la producción

Las arrugas y las grietas son síntomas visibles de un proceso que opera fuera de su ventana. Diagnosticar qué síntoma aparece (y dónde) apunta directamente a qué parámetro está fuera de rango. Una grieta en la punta del punzón implica tensión en la pared: BHF demasiado alto, falla de lubricación o relación de estiramiento que excede el LDR del material. Una arruga en la brida implica un control de la tensión de compresión: BHF demasiado bajo, contacto del aglutinante desigual o cordón de tracción insuficiente. Una arruga en la pared implica espacio libre del troquel o relación de estiramiento, no BHF.

Tratar cada tipo de defecto como una señal de diagnóstico, en lugar de como una falla de calidad genérica, permite tomar medidas correctivas específicas en lugar de ajustes de parámetros de prueba y error. Este enfoque estructurado es lo que separa la producción de embutición profunda predecible y de alto rendimiento de los ciclos de prueba crónicos.

Para piezas complejas que combinan embuticiones profundas con características de matriz progresiva, se aplica la misma lógica de diagnóstico en cada estación. Matrices progresivas de embutición profunda para piezas estructurales de automoción debe controlar la relación de estirado y las condiciones del portapiezas de forma independiente en cada etapa, una disciplina que, cuando se ejecuta correctamente, produce piezas libres de defectos a altas tasas de producción en toda la gama de Geometrías de piezas de estampado automotriz y grados de materiales .