Un seminario patrocinado por laPrecision MetalformingAssociation sobre la tecnología

del Embutido Profundo, cubre temascomo diseño de herramienta, materialpara las herramientas yrecubrimientos, desarrollo delproceso de embutición (deepdrawing), propiedades físicas de lashojas de metal, lubricantes ysimulación por computadora.

El Dr. William Riffe, profesor deIngeniería de Manufactura en laUniversidad de Kettering en Flint,Michigan, Estados Unidos, inició elseminario explicando que para teneréxito con el embutido profundo ypara poder diagnosticar cualquierproblema de calidad, los metalformersdeben conocer las propiedades delmaterial base que habrán de estampar.

Efectivamente, usted necesita conocercuál es la fuerza de resistencia a latensión del material para podercalcular la cantidad de tonelajerequerido por la prensa. Pero elconocer únicamente las típicaspropiedades mecánicas del material,no es suficientes. Obtenga de suproveedor de materiales, laspropiedades clave: exponente delesfuerzo de deformación (valor-n).Después compruébelo con su propiamáquina de prueba de tensión. “Lacurva del esfuerzo de deformación,es la mejor de las herramientas ennuestra caja de herramientas. Elconocer las propiedades decarga/deformación de los materialesque está formando es clave,” comentaRiffe.

Durante las operaciones de

Cobertura delos Seminarios

EmbutidoProfundo (Deep Draw)de la A, a la Z

¿Está intentandorealizar más y más

trabajos, requiriendo detroquelados complejos

de piezas largas quereemplacen a los

ensambles de partesmúltiples? Entonces, es

necesario que repaselos fundamentos de laEmbutición Profunda.

Por BRAD F. KUVIN, EDITOR

El leer los círculos de la rejilla de análisiscircular permite a los estampadores delembutido profundo, comparar como elmaterial puede moverse—estirarse, doblarse y embutirse—contra las expectativas que setenían del material en el troquel.

4 METALFORMING / Otoño 2005 h t t p : / / m e x i c o . p m a . o r g

formado, el monitoreo minucioso delproceso resuelve muchos de losproblemas antes de que seincrementen quedando fuera decontrol. El saber interpretar loscírculos de la rejilla de análisis (véasefoto) permite a los estampadores delembutido profundo, comparar comoel material puede deformarse—contraerse, doblarse y tensarse—contra lo que se espera del material enel troquel. Usando esta invaluableherramienta, los estampadorespueden diseñar un proceso robustocapaz de hacer partes buenas aúncuando los parámetros del formadorebasan el punto óptimo, en lugar deoperar “sobre el borde de lamontaña,” donde un movimiento enfalso puede convertirse en undesastre.

Principios para el Diseño y Herramentales

A continuación, una discusiónsobre las técnicas herramentales paralograr piezas grandes con el embutidoprofundo, dirigida por Peter Ulintz,

gerente de desarrollo de productosavanzados en estampado de metal deAnchor Manufacturing Group,Cleveland, Ohio, Estados Unidos.Ulintz explicó los fundamentos de laembutición de copa y caja, reparaciónde fallas básicas en de tensión ydesarrollo de troqueles para formasirregulares considerando su tensión.

Ulintz comenzó definiendo a laembutición profunda como “unproceso en la cual la hoja de acero esjalada, o tensada, dentro de unacavidad del troquel, causando unreforzamiento de la hoja la cual secomprime en una direccióncircunferencial. Una abrazadera osostén de la hoja, crea la fuerza deretención para controlar el flujo delmaterial.” La selección una prensa parael embutido profundo es crítica, nocualquier prensa será adecuada—comenta Ulintz. Los estampadores demetal deben seleccionar una prensa ydiseñar el proceso para que toda lafuerza de la embutición— fuerzapunzante más fuerza de retención—seencuentre disponible cuando se deslice

el material hacia el puntocorrespondiente de contacto entre elpunzón y hoja de metal. Usando unaprensa mecánica, la fuerza máxima delpunzón para la embutición profundaocurre al principio del golpe, y luegodisminuye conforme baja la cantidadde material ha deformarse, enfatizóUlintz. Las prensas hidráulicas, porotro lado, ofrecen toda la fuerza en elgolpe en cualquier punto del ciclo deldeslizado, a una constante yprogramable velocidad de deslizado,sólo que a velocidades más lentas degolpes/minuto, comparado con lasprensas mecánicas.

Los estampadores de embutidoprofundo que corren prensasmecánicas, deberían considerar elestudiar los diagramas de curvas defuerza proporcionadas por elconstructor de la prensa. Dichosdiagramas de curvas grafican el rangoporcentual de capacidad de fuerza dela prensa, VS. la distancia por sobre elfondo del golpe. Es importantetambién considerar la velocidad deldeslizamiento—diferentes materiales

h t t p : / / m e x i c o . p m a . o r g METALFORMING / Otoño 2005 5

pueden ser formados a diferentesvelocidades máximas,correlacionándose a la velocidad dedeslizamiento de la prensa. Porejemplo, dice Ulintz, el aceroinoxidable tiene una capacidad deformado típico de 35 pies/minuto,mientras que aceros bajos en carbóntienen una capacidad de 55pies/minuto y los aceros blandos concalidad de embutido profundo, tienenuna capacidad de formado quealcanza los 80 pies/minuto.Conociendo la velocidad del formado,la troqueladora puede especificar lavelocidad del deslizado usando lasiguiente ecuación:

Velocidad de deslizado(pies/minuto) = [Golpe (pulgadas)x velocidad de formado(golpes/minuto)]/4Cubriendo la embutición de copa,

Ulintz determina dos importantesáreas de la parte—la pestaña donde lamayor parte de la deformaciónocurre, y la pared, que soporta lafuerza necesaria para deformar la

pestaña. Si durante la formación, lacopa de la pared fallara en tensión, escasi seguro que el diámetro de la hojasea demasiado grande, causando unfuerza excesivamente alta que la paredno podrá transmitir. El atributo de laclave para calcular y evaluar lacapacidad del formado, es el de RangoLímite de Deformación, (LimitingDrawing Ratio, LDR ver Fig. 1) elrango del diámetro máximo de la hoja(D) que puede formarse dentro deldiámetro de la copa (d). Este cálculoes aplicable para cualquier formaciónde profundidad.

LDR = D/dLos metalformers pueden obtener

los valores de LDR de sus proveedoresde material, incluyendo una estimaciónde cómo disminuiría el LDR condeformaciones subsecuentes en lasdiferentes aplicaciones debido alincremento del trabajo. Ulintz despuésexplicó la influencia que tiene el radiodel punzón en relación con laubicación de la fuerza de tensión en laparte inferior de la copa, que es la parte

Rango Máximo deEmbutición para

Materiales Comunes

Material MáximoD/d

Acero CRDQ 2.15

Acero CRDQSK 2.20

Acero HRDQ 2.10

Acero Inoxidable (Tipo 302) 2.20

Latón, Cobre 2.10

Aluminio (Serie 1100) 1.80

Fig. 1—El atributo principal paraevaluar la capacidad de la embuticiónde copa es el Rango Límite deEmbutición, el rango del diámetromáximo del espacio o vacío de la copadonde se embutirá el material (D) quepuede ser embutido dentro de unacopa de diámetro (d). Esto semantiene para cualquier profundidadde embutido.

Deep Draw

6 METALFORMING / Otoño 2005 h t t p : / / m e x i c o . p m a . o r g

más débil de la pared. Un radio másgrande, dice, mueve el punto de fallahacia arriba en donde se encuentramaterial endurecido por un formadoanterior durante el proceso deformado. Un punzón de base plana, encomparación con un punzónhemisférico, puede inducir menoradelgazamiento del material en elfondo de la copa. Pero si el radio deltroquel se vuelve muy grande, la hojade acero puede arrugarse. Nuevamente,los proveedores de metal ofrecengraficas comparativas entre grosor delmaterial y el radio de deformacióncomo un múltiplo del grosor delmaterial.

Algunas reglas generales:• El radio del embutido deberá ser

de cinco a ocho veces el grosor delmaterial;

• La parte superior del poste delembutido debe dejarse burdo,para retardar el efecto deestiramiento del materialalrededor del poste;

• El radio del embutido del troqueldeberá ser absolutamente suave yunirse perfectamente con lassuperficies planas.

Ulintz concluyó refiriéndose alexceso, también conocido comosobrante o adendum (área de la caradel punzón que se extiende desde lalínea de corte final del producto haciafuera de la abertura del punzón)diseñada para asegurar la calidad delos paneles formados. Un diseñoapropiado del addendum asegura unestiramiento uniforme del panel .Controla el balance del movimientodel material durante el formado conel uso de paredes de formado, barrasformadoras, extensiones material uotras aplicaciones de diseño.

Materiales y Recubrimientospara Herramientas

Las herramientas del embutidoprofundo se desgastan por abrasión yadhesión, por despostillado, porfisuras, por deformación plástica y

por fricción. De acuerdo con BrettKrause, un consultor técnico de laempresa manufacturera deherramientas de acero Bohler-Uddeholm North America, ladeformación plástica ha crecido comouna preocupación a medida que losestampadores utilizan más y másmateriales con mayor fuerza detensión. La herramienta del materialse deformará plásticamente si seexcede más allá del punto de fuerza

El resultado se traduce en daños ocambios en la forma de las superficiesde trabajo de la herramienta. Puedenocurrir fisuras debido aconcentraciones de tensión creadas pormarcas dejadas en la herramientamientras durante la rectificación o elmaquinado o por características dediseño tales como esquinas afiladas oradios. La fricción trasera se presentacon materiales blandos con masadhesión, tales como hojas conaleación de aluminio, y puedeminimizarse con la especificación

Deep Draw

8 METALFORMING / Otoño 2005 h t t p : / / m e x i c o . p m a . o r g

adecuada de velocidad de formado ypresión, así como con la selecciónapropiada del lubricante. También esimportante, menciona Krause,rectificar las herramientas en sentidolongitudinal ya que marcas circularesen el punzón causan fricción durante lacorrida.

Continuando con la discusiónsobre los materiales paraherramientas—herramientasconvencionales de acero, aleaciones demetal mejorado y metales vaciados—Krause dirige su atención hacia lastécnicas para el mejoramiento desuperficies, tales como el templadocon soplete, carburización, nitración yrecubrimientos.

Stu Keeler Platica sobre lasPropiedades de losMateriales

Stuart Keeler, consultor ycolaborador en esta revista, enfatiza laimportancia de conocer la principalclave de las propiedades de losmateriales que usted va a formar—valor-n—y entender cómo esto afectasus posibilidades en sus procesos.“Compañías acereras conocen el—valor-n—o exponente deendurecimiento por uso, para lasaleaciones que usted va a formar.“Pregunte por ellas” expresa Keeler.Un nivel más alto de—valor-n—indica una aleación que puede tenermayor capacidad de estiramiento y unestiramiento más uniforme.

No es suficiente con que losestampadores se confíen en suspropias experiencias del pasado, diceKeeler, pues las tradicionales accionescorrectivas de prueba y error no sonaplicables a los materiales nuevos o adiseños innovadores. Las nuevasaleaciones, recubrimientos ylubricantes requieren de técnicasbasadas en colección de datos paradiseñar procesos y procedimientos deacciones correctivas creadas para cadaparte. Por ejemplo, los estampadoresse ahorrarán tiempo y dinero en sulargo camino, si ordenan aceros yotros materiales básicos basándose enel rango de las propiedades del

material que la parte requiere, enlugar de basarse en el precio. Mientrasque el departamento de comprasintente ahorrarse algunos centavospor libra/kilo de acero, la insuficienciade las propiedades del material, comoel—valor-n—por ejemplo, puedecausar un enorme gasto pordesperdicios en el proceso deproducción por fallas y errores.

El lema de Keeler es: Conozca las

propiedades del material querequieran todas y cada una de laspartes que va a estampar, y ordenematerial—aceros y otros—basado enlas necesidades de cada parte. Su listade propiedades claves en losmateriales es:

• Resistencia a la fluencia• Exponente de

Endurecimiento/Deformaciónpermanente (—valor-n—)

h t t p : / / m e x i c o . p m a . o r g METALFORMING / Otoño 2005 9

• Elongación Total• Especifique los valores máximos

y mínimos de cada uno.Keeler concluye ofreciendo

excelentes fuentes de informaciónrelacionadas con las propiedades delos materiales.

• Aluminio para partesautomotrices, La Asociación deAluminio, www.aluminum.org

• Guías de diseño con la selección yuso de acero inoxidable, LaIndustria de Aceros Especiales deNorte América, www.ssina.com

• Guía para la selección y uso deaceros, Instituto Americano delAcero y del Hierro,www.autosteel.org

Selección y Uso de Lubricantes

Controlar la fricción, reducir eldesgaste, prevenir los escurrimientosy el goteo, y disipar el calor; eso es loque esperan los estampadores deembutido profundo de sus lubricantespara el metalforming. “En resumen”

dice Marvin Phillips, gerente deproducción de Fuchs Lubricants, “elusar el lubricante correcto permitiráel uso de acero menos caro y tener unproceso más robusto.”

Phillips presentó el tema delubricantes de baja presión, muyútiles para las aplicaciones cortas deformado; y sobre aditivos de presiónextrema (EP) requeridos para lasaplicaciones de formación oembutición profunda. Los aceitescomunes, explicó, pueden proveerlubricación, resistencia a la fricción yprotección a la corrosión, pero nopueden ser diluidos y no ofrecen unadisipación adecuada del calor enalgunas aplicaciones. Los aceitessolubles pueden eliminan más calorde la interfase de la herramienta/piezade trabajo y son diluíbles. Loslubricantes sintéticos ofrecen óptimacompatibilidad post-proceso, subrayaPhillips, ya que permite a losestampadores soldar y pintar partesestampadas sin tener que remover ellubricante.

Deep DrawMantenimiento para

Materiales—Incrementando su

Fuerza y Resistencia al Desgaste

SAE 4140*

SAE 6150*

O1

A2

Aceros con 8%-por ciento-de cromo

D2

Aceros PM

Carburo

Aleación con Hierro Fundido

Aleación con Hierro Fundido

D2

*Pre-endurecido, y luego reendurecido con soplete o carburizado

Fig 2.

10 METALFORMING / Otoño 2005 h t t p : / / m e x i c o . p m a . o r g

Resolviendo Virtualmente,los Problemas en el Taller

La discusión del taller virtual, o eluso de simuladores de modelos deformado en una computadora,vinieron de Keeler y Ulintz, quienesexplican los programas de simulaciónhan reducido los tiempos de diseño yde pruebas del troquel. Estosprogramas constan de códigos queduplican una parte real y calculan la

rigidez o la deformación que sufre laparte al formarse. Ellos crean unacadena continua de eventos retro-alimentados conectados a modelosdiseñados con CAD; proceso dediseños, diseño de troqueles y eldesarrollo de prototipos, permitiendo alos ingenieros correrlo lentamente,permitiendo a su vez, realizar unanálisis factible para la validación delproceso en la prensa.

Ulintz y Keeler describen losprogramas más sencillos, aquellos querealizan un análisis básico en un solopaso. Se coloca la rejilla sobre lasuperficie de la pieza moldeada y secalcula el esfuerzo de cada rejilladeformada. Mientras que losprogramas de un solo paso no tomanen cuenta las características de laprensa, el mantenimiento o lalubricación, crearán un diagrama dellímite de deformación que estableceráel rango de severidad basado en lageometría del producto y en laspropiedades del material, calculado enrejillas circulares que mostrarán losesfuerzos mínimos y máximos. Estosson ideales para analizar el diseño de lapieza así como para seleccionar elmaterial base oportunamente durantela etapa del diseño del producto;evaluando el ¿qué pasaría? Endiferentes escenarios.

Hay programas más sofisticados,que incrementan la realización deanálisis de esfuerzos, torceduras yadelgazamiento por cada pequeñomovimiento incremental que hace elpunzón. La información suministradapara correr este programa desimulación pueden incluircaracterísticas de la prensa, geometríadel troquel, configuración de la hoja ylubricación. Además de los resultadosobtenidos por el análisis de un solopaso de este programa, los usuarios desoftware para este tipo de análisis,pueden obtener diagramas de curvasdel tonelaje y señales a color de lasarrugas y otras irregularidades en elmaterial. Los usuarios pueden localizarqué tipo de fallas ocurrieron durante lacorrida y rastrearlos a su origen.

Keeler concluyó enfatizando que eloperar una planta de estampadobasándose en la prueba y el errorcomo medida correctiva, o confiarseen experiencias y emociones pasadas,debe ser reemplazado por una buenabase de datos como plan de ataque.Los ingenieros deben esforzarse enaplicar acciones correctivasrelacionadas a la parte específica y enun modelo basado en el análisis parael futuro. MF

Deep Draw

h t t p : / / m e x i c o . p m a . o r g