Retos y soluciones para el formado de acero de baja aleación y alta resistencia

El cambio de material requiere una nueva forma de pensar

November 12, 2010

By:

To meet the challenges posed by forming HSLA for today's automotive weight-to-strength ratio such a high snap-through and springback, stampers can take advantage of press and tooling features to help. These include using a hydraulic or servo-driven press to perform dwell under load; higher draw pad pressure; higher energy; installing an oversized flywheel and motor combination; increasing draw radius in the part design; separating forms into additional die stations.

Retos y soluciones para el formado de acero de baja aleación y alta resistencia - TheFabricator.com

Figure 1: Una prensa servoaccionada puede ser útil en la solución de algunos de los retos de formar acero de alta resistencia.

Durante los últimos años una tendencia en el diseño automotriz ha sido un mayor uso de acero de baja aleación de alta resistencia (HSLA, por sus siglas en inglés) en los componentes estructurales clave del chasis, puertas internas y asientos. La meta ha sido simplemente reducir el peso de los componentes reduciendo el espesor del material sin afectar la resistencia estructural de la parte.

Se espera que esta tendencia aumente con la introducción de nuevos estándares de eficiencia de los combustibles en los Estados Unidos.

Los estampadores por contrato de Tier 1 y Tier 2 enfrentan retos en el formado de estas partes de HSLA. Éstos incluyen los efectos del material en el diseño del dado, el tonelaje y la energía requeridos y el diseño de la prensa.

Aumento de la Liberación de Fuerza por Tonelaje Inverso

Aun cuando el material de HSLA es más delgado que el acero al que está re-emplazando, los estampadores están ex-perimentando cargas más altas por libera-ción de fuerza, lo cual causa problemas de mantenimiento de la prensa a corto y largo plazo. El aumento en la vibración causado por la liberación de fuerza eleva el desgaste del dado, incluyendo despostilladura de punzones y dados. Esto ocurre debido a que la carga inversa se ve afectada no sólo por la velocidad del carro y las separaciones totales y defle-xiones de la prensa, sino también por las propiedades del material. Mientras más duro es el material, menos corte real del mismo ocurre y más “se rompe” el material. Esto aumenta el porcentaje de carga inversa de choque a través del dado y de la prensa.

Se pueden usar diversas metodologías para ayudar a minimizar esta mayor carga inversa. Por supuesto, primero sería agregar punzones de pasos o cizalla al diseño del dado para reducir la carga. Sin embargo, con frecuencia esto no es posible debido al diseño de la parte.

Luego el estampador podría atender los otros factores que afectan a la carga inversa, la deflexión de la prensa, y las separaciones, así como la velocidad de deslizamiento en el punto de liberación de fuerza. La carga inversa es directamente proporcional a la velocidad de deslizamiento; por lo tanto, reduciendo la velocidad, el estampador puede reducir la liberación de fuerza. La clave es hacer esto sin reducir la velocidad de producción.

Esto puede hacerse de diversas mane-ras. El operador puede poner el dado en una prensa con una longitud de carrera más corta; usar ciertos diseños de movimiento sin separaciones adicionales de rodamientos; y usar una prensa servoaccionada para programar una reducción en la velocidad justo antes del punto de liberación de fuerza en la carrera (vea la Figura 1).

En cuanto a la deflexión y las separaciones de la prensa, es importante para el operador conocer las especificaciones de deflexión y separación total de la prensa. Como con la velocidad, existe una relación directa entre la deflexión de la prensa y las separaciones de los rodamientos, y las cargas por liberación de fuerza.

Cuando un operador está fabricando una pieza de trabajo, se recomienda te-ner una prensa con deflexión de cama y de deslizamiento de 0.001 pulgadas por pie o mejor. Además, deben medirse las separaciones totales de apilamiento de la prensa. Esto puede hacerse maximizando la presión de contrapeso, llevándola a cero, y luego midiendo el cambio en la altura del dado.

Recuperación Elástica del Material

La recuperación elástica es una de las mayores preocupaciones de los estampadores que forman materiales de HSLA. Si el operador usa el mismo proceso de dado para acero de HSLA que usó para acero de resistencia convencional, la altura del dado de la prensa debe reducirse para estrujar o acuñar más la parte en un esfuerzo por eliminar la recuperación elástica adicional del material más duro (vea la Figura 2).

Retos y soluciones para el formado de acero de baja aleación y alta resistencia - TheFabricator.com

Figura 2: La recuperación elástica con frecuencia es la pesadilla de los estampadores que forman materiales de HSLA.

Obviamente, esto resultará en un aumento dramático del tonelaje requerido para la estación de formación de dados, lo cual es muy indeseable. Esto genera la necesidad de examinar diferentes soluciones para vencer el problema de la recuperación elástica. Una solución posible sería agregar más estaciones de dados para reacuñar la parte y revertir la recuperación elástica. Sin embargo, si es importante usar la misma configuración de dado, el estampador debe considerar el usar una prensa hidráulica o servoaccionada que permanezca bajo carga. Desafortunadamente, esto resulta en una menor productividad. Otro enfoque es usar un programa de reacuñado rápido en una servoprensa.

Cargas de Mayor Tonelaje

Obviamente, se requiere una mayor fuer-za de formado para formar una parte de HSLA con las mismas dimensiones que una parte de acero suave. Esto requiere prensas de mayor tonelaje. Otro factor que aumenta las cargas de tonelaje es el requerimiento de una mayor presión de embutido.

Este aumento en los tonelajes de las estaciones de formado y programación de piezas hace muy importante examinar de cerca la carga excéntrica de todo el dado. Aun cuando el tonelaje total del dado puede estar dentro de la capacidad de tonelaje total de la prensa, éste puede exceder la capacidad de carga excéntrica de la prensa. Esto detendrá a la prensa si está equipada con un sistema de protección hidráulico contra sobrecarga, común en los diseños de prensa más nuevos. Este sistema limita la fuerza de prensa a 55 por ciento bajo los puntos de conexión izquierdo y derecho.

Velocidades más Lentas de Formado, Mayores Requerimientos de Energía

Otro factor importante que se debe tomar en cuenta es que el material de HSLA requiere más energía. Típicamente, los estampadores recuerdan incluir el aumento en la fuerza de tonelaje requerida, pero se olvidan del aumento en el requerimiento de energía del vo-lante. Esto conduce a problemas con la desaceleración y el atascamiento de la prensa.

Hay dos factores importantes que se deben considerar.

Primero, el aumento en el tonelaje de formado en combinación con el aumento en la presión de embutido requie-re más energía. Este requerimiento de energía se calcula multiplicando la fuerza de formado requerida por la distancia de formado.

Segundo, el acero de mayor resis-tencia no tiene las mismas cualidades de embutido que los aceros de menor grado usados anteriormente. Esto podría conducir a una fractura en los radios de formado y un adelgazamiento inacepta-ble del material conforme es embutido. Esto requiere que el operador reduzca la velocidad de embutido desacelerando la prensa.

Esta velocidad más lenta no sólo afecta la salida en partes por minuto, la cual a su vez afecta el precio calculado de la parte, sino que también reduce la capacidad de energía disponible de la prensa desacelerando el volante. La ener-gía del volante está relacionada con el cuadrado de la velocidad del volante (vea la Figura 3).

En diseños típicos de prensas mecánicas, sólo del 10 al 15 por ciento de la ener-gía total del volante puede usarse en una sola carrera de prensa debido a las limitaciones de capacidad del motor. Por lo tanto, es imperativo examinar la curva de energía de la prensa seleccionada.

Además de aumentar el tonelaje, el estampador también puede tener que considerar el cambiar a una prensa con un rango de velocidad menor, lo cual además reducirá la energía disponible; instalar una combinación de motor y volante sobredimensionado; o cambiar a una servoprensa. La ventaja de un servoaccionamiento, dependiendo de su dispositivo de almacenamiento de ener-gía, es que la energía no está relacionada con la velocidad de la prensa debido a que el almacenamiento de energía es eléctrico, y no mecánico. Esto significa que el estampador tiene toda la energía disponible para su uso, incluso a una velocidad muy lenta.

Retos y soluciones para el formado de acero de baja aleación y alta resistencia - TheFabricator.com

Figura 3: El formado de acero de HSLA requiere más energía. La energía del volante de una prensa mecánica está relacionada con el cuadrado de la velocidad del volante. En una servoprensa, toda la energía está disponible, incluso a una velocidad muy lenta.

Como se mencionó anteriormente, hay algunos retos relacionados con cambiar a un material de HSLA que pueden ser superados en el diseño de la prensa. Con frecuencia, un estampador simplemente cambiará la especificación y el espesor del material en los controles sin cambiar el diseño de la parte. Es muy importante considerar además el alterar el diseño de la parte para evitar el adelgazamiento y la fractura del material durante el embutido y el formado.

Una de las áreas frecuentes de preocupación es en los radios de las formas. Si el diseñador puede permitir un aumento en el radio de la forma o embutido, pueden resultar grandes mejoras en la calidad de la forma, en el diseño del dado y en la velocidad de la prensa.

Diseño del Dado

De la mano con el diseño de la parte está el diseño de la herramienta en sí. Como para el diseño de la parte, la reacción inicial del estampador puede ser mantener el mismo diseño que ha sido exitoso anteriormente. Desafortunadamente, esto puede resultar en numerosos problemas con la calidad de la parte y la selección de la prensa desde un aspecto del tonelaje, la energía y las cargas excéntricas.

Con frecuencia, el diseñador de dados encontrará útil—y es probable que incluso necesario—agregar estaciones de dados. El diseñador puede también encontrar útil incorporar estaciones adicionales vacías para equilibrar la carga de la prensa. Esto alargará la cama de prensa requerida, pero permitirá un mejor desempeño de la prensa y ritmos más altos de producción de partes.

Efecto en la Línea de Alimentación de Rollos

El principal efecto de cambiar a un material de HSLA en la línea de rollos está en los requerimientos del enderezador/nivelador. Eliminar la curvatura remanente del rollo de material requiere un enderezador mayor con un diámetro mayor de rodillo, lo que aumenta el número de apoyos para los rodillos enderezadores, o quizás cambiar a un nivelador de precisión. Usualmente no se requieren cambios especiales en la unidad de alimentación. Muchos estampadores han considerado el agregar un brazo de retención secundario en el desenrollador por cuestiones de seguridad.

Todo Considerado

Cuando los estampadores consideren todas las consecuencias de estampar materiales de HSLA, es importante que empiecen con el diseño de la parte en sí. Esto afectará el diseño del dado, la prensa y el equipo de automatización. Luego, es importante que el diseñador del dado reexamine el arreglo del dado con respecto a la formabilidad—no sólo en cuanto a ritmos máximos de producción, sino también al efecto del material más duro en las cargas y la selección de la prensa.

Finalmente, desde el punto de vista de la producción, es importante para los estampadores revisar los requerimientos de carga en el diseño del dado para determinar los requerimientos de prensa, así como revisar la posible integración de actualizaciones de prensa como accionamientos de alta energía y amortiguadores de choque o nuevas tecnologías de prensa como servoprensas.



Bob Southwell

Vice President, Sales & Marketing
Aida America Corp
7660 Center Point 70 Blvd.
Dayton, OH 45424
Phone: 937-237-2382

Related Companies

More in Stamping from TheFabricator.com

comments powered by Disqus