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Estrategias de herramental óptimo para punzonar aceros avanzados de alta resistencia (AHSS)

Conforme los aceros han ido mejorando y se han vuelto más resistentes, los métodos requeridos para lograr resultados óptimos para perforar esos aceros han tenido que mejorar también. Las estrategias probadas que funcionaban bien para estampar aceros de la primera generación no son tan efectivas para estampar los nuevos aceros avanzados de alta resistencia (AHSS, por sus siglas en inglés).

Se hicieron pruebas a aceros AHSS para determinar las separaciones óptimas de punzón y dado, los ángulos de corte y los ángulos de punzón. Los resultados de las pruebas indicaron que separaciones del 12 al 15 por ciento entre punzón y dado y ángulos de corte de -15 a +15 grados brindaban la mayor vida del punzón y del dado, y un ángulo de corte cónico de 7 grados creaba el menor desarrollo de rebabas.

Metodología de las pruebas

En una colaboración de Auto-Steel Partnership, su fabricante de equipo original (OEM) automotriz, de los socios del comité del acero y la junta de asesores y Dayton Progress, se construyó un juego de dados progresivos de 13 estaciones para usarse como una parte de prueba para reunir datos para la evaluación (vea la Figura 1).

Se hicieron pruebas en una tira no funcional para examinar varias aplicaciones de herramental, incluyendo doblado, formado, recorte, aplicación de cordones de embutido, punzonado de ranuras y perforado de ranuras. Aceros para herramientas AHSS de fase dual 780 (DP780) y fase dual 980 (DP980) experimentaron más de 300,000 ciclos, y la parte de cada milésimo golpe se guardó para análisis. Después de cada 5,000 ciclos, los investigadores pararon la prensa para inspeccionar los diversos detalles del dado, buscando indicaciones de desgaste o daño de la herramienta.

Los investigadores inspeccionaron si había fisuras o excoriación potencial en los bordes de los punzones de balín para uso rudo y los botones de ajuste a presión. Además guardaron las partes para evaluar la calidad de los agujeros y seccionaron las partes para examinar el corte del agujero y medir la altura de rebaba de la parte.

La Figura 2 muestra la progresión de seis etapas de la perforación de un agujero. Note el golpe que sufre el material al impacto del punzón. Este golpe es aún más pronunciado al perforar materiales de alta resistencia. La onda de choque es muy alta al impacto, y luego empieza a aplanarse y a volverse más controlable en la penetración. La carga del impacto se reduce cuando el punzón entra en el material.

Sin embargo, en la liberación de fuerza, el herramental y la prensa sufren otro golpe. Típicamente éste es el punto en el cual una cabeza de punzón se sale o las puntas de punzón se descascaran o se rompen. Luego el punzón toca fondo antes de su retiro del material.

¿Qué es la separación y cómo afecta a la calidad del agujero?

Separación es la distancia entre el punzón y el botón del dado. Ésta se representa gráficamente como una delta (∆). La experiencia con aceros suaves indica una separación recomendada de 10 por ciento total, o 5 por ciento por lado.

Sin importar el material que se esté estampando, su espesor o las velocida-des de prensa, una separación del 5% es adecuada para muchas aplicaciones. Sin embargo, conforme han cambiado las químicas del acero para reforzar los materiales, las separaciones óptimas requeridas también necesitan cambiar. La separación para aceros AHSS deberá expandirse de 6 a 28 por ciento, dependiendo del tipo de acero y de su espesor.

La Figura 3 muestra que el agujero regular tiene más desgarre o bruñido; esto típicamente está en el rango de 40 a 60 por ciento. Una vez que el material llega a su límite de elasticidad, el material se rompe y el sobrante se separa, creando una rebaba en la superficie. Hay menos desgarre o bruñido con la separación planeada—de 20 a 40 por ciento. Esto crea una ruptura mayor pero una rebaba menor.

perforación de aceros de alta resistencia avanzada

Figura 1
Se usó un juego de dados progresivos de 13 estaciones como una parte de prueba para reunir datos para evaluar valores óptimos de separaciones de dado, ángulos de perforación y ángulos de corte para punzonar aceros avanzados de alta resistencia.

La prueba se hizo para determinar un rango de separaciones óptimas para AHSS, empezando con un rango de 5 a 30 por ciento. La altura de la rebaba se midió en pulgadas junto con otras mediciones sobre el número de golpes. Después de más de 30,000 golpes, el rango de separación de 10 a 15 por ciento pareció dar resultados bastante consistentes de altura de rebaba.

Las pruebas continuaron en el material DP980 con un rango de separación estrecho de 8, 10, 12 y 15 por ciento, para verificar los primeros hallazgos. La separación del 15 por ciento produjo la mejor calidad de agujero y la menor rebaba.

La Figura 4 muestra la carga de perforación en la punta del punzón para AHSS DP780 a diferentes separaciones de dado.

Las separaciones probadas fueron 6, 10 y 14 por ciento. La separación del 6 por ciento generó un poco más de 9,000 newtons de fuerza. Conforme la separación se aumentó a 10 por ciento, la fuerza de carga disminuyó a 8,800 N. A una separación de 14 por ciento, la fuerza cayó a 8,300 N. En general, conforme aumentaron las separaciones, la carga de perforación disminuyó en la punta del punzón, lo que aumentó la vida de la herramienta.

El crear un agujero más grande también aumentó la vida de la herramienta; sin embargo, el impacto o golpe fue mayor al golpear el punzón inicialmente el material.

La Figura 5 ilustra cómo diferentes separaciones de dado afectan las características de la calidad de los agujeros.

Cuando se comparan las ilustraciones de la vista lateral de los agujeros con separación de 6 y de 14 por ciento, es evidente que la de 6 por ciento tiene un redondeo mínimo y deslizamiento lateral y superficies de ruptura más bien irregulares. El borde de rebaba es muy irregular y grande.

La separación del 14 por ciento tiene deslizamiento lateral y superficies de ruptura limpias y uniformes con un redondeo ligeramente mayor. La superficie de la rebaba es uniforme y mínima.

Generalmente, para un tamaño de agujero dado, conforme aumenta la separación del material, la calidad del agujero mejora, y se producen rebabas menores. Sin embargo, hay una desventaja. El redondeo tiende a aumentar, lo cual puede afectar la forma en que puede usarse el agujero. Si el agujero es para una aplicación no crítica, como un agujero para un perno, esto puede no importar. Pero si el agujero es para una aplicación más precisa, como para machuelado en el dado, la cantidad de redondeo es crítica.

¿Cómo afectan los ángulos de perforación el desempeño del punzón?

Normalmente, la situación ideal de perforación es a un ángulo de 90 grados donde el punzón baja verticalmente al material. Para medir el efecto de diferentes ángulos de perforación, los investigadores probaron ángulos de perforación de -30 grados a +30 grados, en incrementos de 5 grados.

Seis Etapas de agujeros de perforación

Figura 2
Durante la progresión de seis etapas del punzonado de agujeros, el impacto es más alto en la liberación de fuerza. El impacto es incluso mayor cuando se penetra acero AHSS.

En los extremos de -30 grados y +30 grados, la vida de punzones y botones se vio afectada adversamente. ¿Cuál es un rango óptimo para perforación en ángulo? Las pruebas después de 100,000 ciclos indicaron que el rango óptimo para aumentar la vida del punzón es de ±15 grados—en cualquier dirección. Dentro de este rango, los punzones mostraron desgaste mínimo por abrasión y ningún descascarado de la punta. Fuera de este rango de 15 grados, los punzones experimentaron un desgaste más severo, y los botones de dado mostraron signos de descascarado y un ligero alargamiento.

¿Cómo afectan los ángulos de corte a las características del agujero?

Además de las separaciones y ángulos de perforación, los investigadores también investigaron el efecto de los ángulos de corte en la calidad del agujero en AHSS. Se probaron tres tipos estándar de ángulos de corte de perforación—corte sencillo, cónico, y corte doble (o de techo) —a un ángulo de 7 grados usando aceros para herramienta de punzón estándar disponibles comercialmente.

La Figura 6 ilustra el crecimiento de la altura de rebaba de 10,000 a 100,000 ciclos.

Los resultados de prueba mostraron el rango de corte cónico como el mejor, con crecimiento de rebaba de sólo 1 a 3 por ciento. El corte de techo (doble) quedó en segundo lugar con un crecimiento de rebaba de 22 a 24 por ciento. El corte doble es el más efectivo en punzones de punta con forma, mientras que el corte cónico es el mejor en puntas de punzón redondas.

¿Y qué hay sobre los desperdicios?

Una vez que se punzona un agujero, ¿cómo se ve en realidad el agujero resultante? ¿Qué pasa dentro del agujero?

El examinar los desperdicios generados por la operación de perforación es una manera confiable de inspeccionar la calidad del agujero. El análisis de los desperdicios es un buen punto de partida para investigar áreas problemáticas.

El analizar los desperdicios es una manera de ver qué tanta fuerza del punzón es dispersada en el material, y qué tanto corte y ruptura ocurre dentro del agujero y generación de rebabas. Usted puede ver y sentir la rebaba de la parte, pero no puede ver dentro del agujero el corte, el bruñido y la ruptura. Los desperdicios dan esta información.

La Figura 7 muestra un trío de desperdicios.

El control de desperdicios es una oportunidad real de mejorar y aumentar la vida de botones de dado y punzones, y de aumentar la productividad. La atracción de desperdicios puede arruinar el detalle de punzones y dados. En general, un botón de dado con relieve achaflanado controla adecuadamente los desperdicios. Los botones de dado con relieve achaflanado ofrecen una vida de servicio más larga debido a que pueden afilarse con más frecuencia. Además permiten que los desperdicios sean limpiados co-rrectamente sin acumularse en el relieve del botón del dado. Una combinación de un botón de dado con relieve achaflanado con ángulos de corte en un punzón, o con un pasador eyector reduce enormemente la probabilidad de que se adhieran desperdicios a la punta del punzón.

Para situaciones problemáticas de atracción de desperdicios, el control de desperdicios ideado funciona muy bien. Ranuras estriadas retienen el desperdicio a la llegada del primer golpe. Carreras de prensa posteriores liberan el primer desperdicio en el relieve achaflanado y atrapan el siguiente desperdicio en la base del botón.

Una nota de precaución: evite meter de más o empujar la punta del punzón más allá de la base del botón del dado. Esto interfiere con la fijación del desperdicio en las ranuras de control de desperdicios.

estafa agujero previsto separación

Figura 3
En una comparación de una separación regular contra un agujero con una separación planeada, las diferencias se ven en el grado de bruñido y rebaba.

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Bruce Konopinski is

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