Comprender el rendimiento de los insertos de punzonado para piezas estructurales ligeras de automoción

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Con la tendencia actual de la industria del transporte hacia la reducción tanto del peso de los vehículos como del consumo general de materias primas, cada vez más proveedores manufactureros están estampando materiales livianos, particularmente aleaciones de aluminio. Es importante que estos fabricantes comprendan el rendimiento de los insertos de punzonado que utilizan en estos materiales.

Dado que las cargas en los bordes de los insertos de punzonado suelen ser las más altas dentro de las operaciones de estampado y exceden significativamente la tensión de flujo de la lámina cortada, estas herramientas potencialmente sufren más desgaste que otras partes de los troqueles de estampado. Y las herramientas desgastadas pueden causar rebabas en los bordes de las piezas estampadas, partículas de lámina estampada que se extienden a través de las superficies de los troqueles de estampado y grietas en los bordes de los componentes estampados donde el borde cortado se ha estirado.

Los fabricantes deben comprender los posibles modos de falla e identificar las combinaciones de materiales de matrices y tratamientos superficiales que funcionan bien en la producción de estampado y minimizan la degradación de los insertos de punzonado.

Investigadores del Centro de Materiales y Fabricación Avanzada de la Universidad de Oakland investigaron recientemente el comportamiento de los insertos de punzonado en el estampado de láminas de aleación de aluminio AA5754, normalmente utilizadas para piezas estructurales ligeras de automóviles. Compararon insertos M2 sin recubrimiento con insertos M2 recubiertos con Ionbond 42 (Cr + CrN + aC:H:W + aC:H), ZrN, Tetrabond Plus (ta-C) y Tetrabond (ta-C). Este estudio empleó el proceso de estampado en U, que incluía operaciones de corte y doblado por estiramiento y permitió a los investigadores estudiar el rendimiento de los insertos de punzonado y conformado.

El diseño del troquel progresivo utilizado para estampar los cupones con curvatura en U se ilustra en la Figura 1 y se explica en "Detección de la aparición de irritación en el estampado de láminas de aluminio". Se eliminaron secuencialmente porciones del perímetro del material de la bobina mientras éste fluía a través de la matriz progresiva; luego se utilizaron inserciones de dibujo para cortar la última porción del borde y formar la parte en forma de U.

Se utilizaron insertos de punzonado fabricados con acero para herramientas M2 para cortar cuatro áreas diferentes del perímetro. Con este enfoque, se estudiaron cuatro configuraciones diferentes de insertos de punzonado simultáneamente y se nombraron según su ubicación a derecha o izquierda: LH-out, LH-in, RH-in y RH-out.

Para comprender los cambios que ocurren en la superficie del punzón, los investigadores midieron la rugosidad de los insertos antes y después de las pruebas utilizando un sistema de perfilado óptico sin contacto modelo Bruker ContourGT-K. Las mediciones se procesaron con el software Bruker Vision64. La rugosidad se calculó como valor Sa, que es un valor absoluto de la diferencia de altura de cada punto respecto a la media aritmética de la superficie, utilizando la ecuación de la Figura 2.

Después de la prueba, se midió la rugosidad de la superficie en la zona de desgaste visible. La rugosidad se informó para el área más rugosa de los insertos de punzonado correlacionándose con el número total de piezas estampadas utilizando cada uno de los insertos estudiados.

Las inserciones se probaron en grupos: derecha hacia afuera, derecha hacia adentro, izquierda hacia afuera y izquierda hacia adentro. La Figura 3 proporciona una lista de combinaciones de prueba y la cantidad de piezas producidas con estos insertos.

Con las plaquitas 1 a 4 se estamparon 50.000 piezas en forma de U. Se observó rugosidad superficial en los insertos recubiertos, pero aumentó en más de un factor de cuatro en los insertos no recubiertos. En la Figura 4 se muestran imágenes de los insertos de punzonado 1 a 4 después de las 50.000 piezas estampadas desde ambos lados del punzón. Los insertos sin recubrir muestran signos de formación de gripado.

FIGURA 1. Este es un esquema del troquel progresivo utilizado para estampar los cupones de bonos U.

Con la plaquita 5 (ZrN) se estamparon sólo 9.000 piezas. Su rugosidad aumentó sustancialmente y mostró importantes signos de irritación en ambos lados. Los insertos 6 a 8 (Tetrabond Plus, Tetrabond e Ionbond 42) se utilizaron cada uno para estampar 150.000 piezas. Mostraron un menor aumento de rugosidad que los punzones sin recubrimiento utilizados para estampar 50.000 piezas. La Figura 5 muestra los insertos de punzonado 5 a 8 después del estampado, desde ambos lados de cada punzón.

Basándose en su comparación de la rugosidad de la superficie de los insertos de punzonado antes y después de cortar el perímetro de las piezas AA5754 de 2,5 mm de espesor, los investigadores concluyeron que el rendimiento de desgaste de los insertos de punzonado recubiertos con Ionbond 42, Tetrabond y Tetrabond Plus era superior al de los insertos de punzonado sin recubrimiento. Estos insertos recubiertos no tenían signos visuales significativos de desgaste o irritación y un aumento bastante moderado de la rugosidad de la superficie después de 150.000 ciclos de estampado.

También determinaron que el recubrimiento de ZrN no es apropiado para perforar láminas de aleación de aluminio AA5754, ya que el punzón recubierto mostró irritaciones y cambios significativos en la rugosidad de la superficie después de 9000 ciclos de estampado.

Este proyecto de investigación fue financiado en parte por el Consejo de Investigación Automotriz de los Estados Unidos con contribuciones de Novelis Corp., que proporcionó bobinas de aleación de aluminio 5754; Moeller Precision Tool Co., que fabricó todos los insertos de punzonado para este estudio; e Ionbond LLC, que proporcionó el revestimiento de los insertos probados.