¿Cómo cambian los aceros avanzados de alta resistencia la fabricación de piezas de estampado para automóviles?

En qué se utilizan realmente los grados AHSS Piezas de estampado automotriz

Los aceros avanzados de alta resistencia no son un solo material sino una familia de sistemas de aleaciones distintos, cada uno diseñado con un mecanismo microestructural específico para lograr su combinación de resistencia y ductilidad. Comprender qué grados aparecen en qué aplicaciones de piezas de estampado de automóviles es el punto de partida para comprender por qué estos materiales cambian el proceso de fabricación de manera tan fundamental. Los aceros de fase dual (DP), la familia AHSS más utilizada, consisten en una matriz de ferrita con islas de martensita dispersas, lo que brinda a grados como DP600, DP780 y DP980 una combinación de alta tasa inicial de endurecimiento por trabajo y buen alargamiento que los adapta a miembros estructurales como pilares B, travesaños de piso y rieles de techo. Los aceros de plasticidad inducida por transformación (TRIP) utilizan austenita retenida metaestable que se transforma en martensita progresivamente durante el conformado, lo que proporciona una absorción de energía excepcional que los hace apropiados para componentes críticos en caso de colisión, como rieles longitudinales y refuerzos de parachoques. Los aceros martensíticos (MS1300, MS1500) se utilizan donde la máxima resistencia es la prioridad y los requisitos de conformabilidad son modestos; los refuerzos de paneles basculantes y las vigas de intrusión de puertas son aplicaciones típicas. Los aceros conformados por prensado en caliente (HPF), en particular el 22MnB5 con un recubrimiento de AlSi, se austenizan y luego se moldean y enfrían simultáneamente en una matriz enfriada, lo que produce resistencias a la tracción en el momento de su conformación superiores a 1500 MPa que ningún proceso de conformado en frío puede igualar para piezas como los interiores de los pilares A y los refuerzos de túneles.

La selección de qué calidad utilizar para una determinada pieza estampada de automóvil depende de la posición de la pieza en la estructura de seguridad del vehículo, su comportamiento de gestión de energía de choque requerido y la severidad de formación de su geometría. Un componente que debe absorber energía progresivamente mediante un plegado controlado (como un riel delantero) se beneficia de la alta tasa de endurecimiento por trabajo del acero DP o TRIP, mientras que un componente que debe permanecer rígido y resistir la intrusión bajo carga (como un pilar B) puede funcionar mejor con la resistencia extrema de una pieza conformada por prensado en caliente. Esta selección de grados para aplicaciones específicas significa que una sola carrocería de vehículo en blanco puede incorporar cinco o seis grados diferentes de AHSS, cada uno procesado a través de diferentes herramientas y condiciones de prensa.

Severidad y compensación del springback en piezas de estampado automotriz AHSS

La recuperación elástica es el desafío de fabricación más importante que AHSS introduce en la producción de piezas estampadas para automóviles, y su severidad en estos materiales es sustancialmente mayor que cualquier cosa experimentada con acero dulce o incluso grados convencionales de alta resistencia y baja aleación (HSLA). La causa fundamental es la alta relación entre fluencia y tracción característica del AHSS: DP980, por ejemplo, tiene un límite elástico de aproximadamente 700 a 900 MPa y una resistencia a la tracción de 980 MPa, lo que da un índice de fluencia de 0,71 a 0,92. El acero dulce DC04 tiene un índice de rendimiento de aproximadamente 0,45. Debido a que la magnitud del retorno elástico es proporcional a la relación entre el límite elástico y el módulo elástico (el módulo de Young para el acero es aproximadamente 210 GPa independientemente del grado), y el AHSS tiene un límite elástico de dos a cuatro veces mayor que el acero dulce con el mismo módulo, la deformación elástica que se recupera después de la apertura de la matriz es proporcionalmente de dos a cuatro veces mayor. En una sección de canal de 90° formada a partir de DP980, es común un retroceso angular de 10° a 16° en las paredes laterales antes de la compensación, en comparación con 2° a 4° para una pieza equivalente de acero dulce.

Las estrategias de compensación utilizadas en la práctica para piezas estampadas de automóviles AHSS son más complejas que el simple doblado geométrico que es suficiente para el acero dulce. Normalmente se combinan tres enfoques:

• Compensación geométrica guiada por FEA: El software de simulación de conformado (AutoForm, Dynaform o PAM-STAMP) con una tarjeta de material calibrado para el grado AHSS específico predice la distribución de la recuperación elástica en toda la superficie de la pieza. Luego, la geometría del troquel se transforma en la dirección opuesta según la cantidad de recuperación elástica prevista (un proceso llamado compensación del troquel) de modo que la pieza regresa a la geometría nominal después de la apertura de la herramienta. Para piezas estructurales complejas de automóviles, este proceso normalmente requiere dos o tres ciclos de simulación-compensación-prueba antes de que la geometría del troquel converja a la forma compensada correcta.
• Reactivación posterior al formulario: Una estación de reencendido dedicada aplica una carga de acuñamiento o planchado a las regiones más propensas a la recuperación elástica de la pieza (generalmente las paredes laterales y las pestañas de las secciones del canal), convirtiendo la tensión elástica adicional en tensión plástica y reduciendo la recuperación elástica recuperable. Las fuerzas de reencendido para DP980 pueden alcanzar entre el 150% y el 200% de la fuerza de conformado para la misma geometría en acero dulce, lo que afecta directamente la selección del tonelaje de la prensa.
• Dibujar optimización de la geometría del cordón: El aumento de la fuerza de restricción del cordón de tracción estira el material más allá de su límite elástico a medida que fluye sobre el cordón, dejándolo en un estado de mayor tensión al final del conformado. Una mayor tensión en la apertura de la matriz significa menos recuperación de tensión diferencial y un retorno elástico más predecible y uniforme que es más fácil de compensar geométricamente. Para AHSS, las alturas y los radios del cordón de tracción se ajustan de manera más agresiva que para el acero dulce, y el aumento resultante en la fuerza del portapiezas debe tenerse en cuenta en la planificación de la capacidad de la prensa.

Cómo AHSS acelera el desgaste de matrices y cambia los requisitos de herramientas

Las fuerzas de formación necesarias para deformar plásticamente el AHSS son de dos a cuatro veces mayores que las del acero dulce del mismo espesor, y esas fuerzas elevadas se transmiten directamente a las superficies de la matriz como presión de contacto. El resultado es una aceleración significativa en el desgaste de los troqueles abrasivos, particularmente en los radios de estiramiento, las superficies del aglutinante y los bordes de corte, que acorta los intervalos de mantenimiento y aumenta el costo total de las herramientas por pieza producida. Una matriz que produce piezas estampadas de automóviles de acero dulce puede reafilarse después de 200.000 a 300.000 golpes; La misma geometría de matriz que forma DP780 puede requerir reafilado después de 80 000 a 120 000 carreras si el material de la matriz y el tratamiento de la superficie no se mejoran para igualar las presiones de contacto más altas.

El material de utillaje y la estrategia de tratamiento de superficies para piezas estampadas de automóviles AHSS difieren de la práctica del acero dulce en varios aspectos específicos. La siguiente comparación resume las actualizaciones clave que se aplican comúnmente:

El gripado (la transferencia adhesiva del material de la pieza de trabajo a la superficie del troquel) es un modo de falla particularmente dañino cuando se forma AHSS galvanizado. El recubrimiento de zinc sobre el acero galvanizado DP o TRIP se transfiere fácilmente a la superficie del troquel bajo las altas presiones de contacto del conformado AHSS, y la acumulación de zinc acumulada marca las piezas posteriores. Los recubrimientos de DLC (carbono similar al diamante) han demostrado el mejor rendimiento antiexcoriación para AHSS galvanizado porque la energía superficial extremadamente baja del DLC inhibe la adhesión del zinc, pero la estabilidad de temperatura limitada del DLC (la degradación comienza por encima de los 300 °C) debe controlarse garantizando una lubricación adecuada para mantener la temperatura de la superficie del troquel por debajo de este umbral durante la producción.

Selección de prensas y requisitos de tonelaje para piezas de estampado automotriz AHSS

La fuerza de conformado requerida para las piezas estampadas de automóviles AHSS tiene un impacto directo y significativo en la selección de la prensa. La fuerza de corte para un corte perimetral determinado es proporcional a la resistencia máxima a la tracción del material, lo que significa que el corte DP980 requiere aproximadamente 2,5 veces el tonelaje del corte DC04 con el mismo espesor y perímetro. Para una pieza estructural grande de un automóvil (un pilar B exterior o un riel longitudinal del piso), la fuerza de corte por sí sola puede alcanzar entre 800 y 1200 toneladas para la DP980, lo que requiere prensas en el rango de 1500 a 2500 toneladas que incorporen un margen de capacidad adicional para evitar operar a su máxima potencia. Hacer funcionar una prensa de manera constante al 90 % de su tonelaje nominal con AHSS acelera la fatiga del marco de la prensa, el desgaste de los pernos de conexión y el desgaste de los cojinetes del cigüeñal a velocidades que los programas de mantenimiento calibrados para la producción de acero dulce no anticiparán.

La tecnología de servoprensa ha proporcionado ventajas significativas para las piezas de estampado de automóviles AHSS en comparación con las prensas excéntricas convencionales accionadas por volante. La capacidad de programar perfiles de movimiento del ariete arbitrarios, en lugar de seguir una curva sinusoidal fija, permite que las servoprensas desaceleren el ariete a través de la zona de formación donde el retorno elástico de AHSS es más sensible a la velocidad de formación, mejorando la consistencia dimensional. También permite que la prensa permanezca en el punto muerto inferior durante un tiempo programable, lo que se ha demostrado que reduce la recuperación elástica en AHSS entre un 15 y un 25 % en comparación con una pieza equivalente formada sin permanencia, porque la presión sostenida permite una relajación adicional de la tensión en la geometría formada antes de que se abra la matriz.

Conformado por prensa en caliente: un proceso separado para las piezas de estampado automotriz de mayor resistencia

El conformado por prensa en caliente (HPF), también llamado endurecimiento por prensa o estampado en caliente, representa un enfoque de fabricación fundamentalmente diferente para las piezas estampadas de automóviles de mayor resistencia, aquellas que requieren resistencias a la tracción superiores a 1000 MPa que no se pueden lograr mediante el conformado en frío sin un rebote o fractura catastrófica. En el proceso HPF directo, una pieza en bruto de acero al boro 22MnB5 se calienta a aproximadamente 900–950 °C (por encima de la temperatura de austenización), se transfiere a una matriz enfriada por agua, se forma en la condición austenítica blanda y luego se enfría en la matriz cerrada a una velocidad de enfriamiento controlada superior a 27 °C/segundo para lograr una microestructura completamente martensítica con una resistencia a la tracción de 1500 a 1600 MPa en la parte terminada.

Las implicaciones para la infraestructura de fabricación de piezas estampadas para automóviles son sustanciales. HPF requiere hornos de solera de rodillos capaces de calentar piezas en bruto de manera uniforme hasta ±10 °C de la temperatura de austenización objetivo, sistemas de transferencia que muevan la pieza en bruto caliente desde el horno a la prensa en menos de 7 segundos para evitar una caída excesiva de temperatura, matrices enfriadas por agua con diseños de canales de enfriamiento diseñados con precisión que logren la tasa de enfriamiento requerida de manera uniforme en toda la superficie de la pieza y controles de prensa que mantengan la presión de cierre de la matriz durante el ciclo de enfriamiento (generalmente de 10 a 20 segundos) en lugar de abrirse inmediatamente después del conformado. La inversión en esta infraestructura es un orden de magnitud mayor que la de una línea de estampado en frío convencional de tamaño de pieza equivalente, pero es el único proceso que produce de manera confiable las piezas con resistencia a la tracción de 1.500 MPa que las estructuras de seguridad de vehículos modernas requieren en ubicaciones críticas de intrusión.

Para los fabricantes de piezas estampadas para automóviles que atraviesan la transición a AHSS y HPF, la realidad operativa clave es que el conocimiento de los materiales, la capacidad de simulación, la inversión en herramientas y la tecnología de prensas deben avanzar juntos. Actualizar un elemento de forma aislada (por ejemplo, cambiar a AHSS sin actualizar los materiales de la matriz o el tonelaje de la prensa) produce consistentemente resultados decepcionantes en la vida útil de la matriz, la calidad de las piezas y la estabilidad de la producción. Los fabricantes que dominan la producción de piezas estampadas para automóviles AHSS tratan la selección de materiales, la simulación de conformado, el diseño de troqueles, el tratamiento de superficies y la programación de prensas como un sistema de ingeniería integrado en lugar de una secuencia de decisiones independientes.