Die Science: Fricción y calor en el estampado de metales

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Cuando estuve en una planta de estampado de metales recientemente, uno de los ingenieros de herramientas quería mostrarme un proceso de embutición profunda que, según dijo, desafiaba todo lo que había aprendido sobre los conceptos básicos de formación de metales. Incluso comentó que gran parte de la información que adquirió procedía de artículos que había escrito para STAMPING Journal. Explicó que el troquel funcionaría bien solo si la lubricación de la pieza en bruto fuera muy ligera y el pistón de la prensa se moviera muy rápido. Esto fue bastante desconcertante para él, ya que su propia experiencia personal con otras operaciones de estirado y la información que aprendió de su investigación normalmente indicaban que se requiere más lubricante y velocidades de pistón más lentas para un embutido profundo exitoso. ¿Cómo podría ser esto?

Luego pasó a probar lo que me había dicho acerca de esta herramienta. Efectivamente, cuando añadía más lubricante, la pieza se partía; cuando disminuía la velocidad del ariete, la pieza se partía.

Si ha estado leyendo mis artículos durante los últimos 20 años, es posible que haya notado que uso muchas "frases de comadreja": por lo general, prefacio mis declaraciones con términos generales o en la mayoría de los casos o de lejos. Eso no es porque me falte confianza en mis afirmaciones, sino porque he aprendido que los absolutos son raros en el estampado de láminas de metal. Claro, nos adherimos a las pautas y los principios fundamentales básicos, pero son solo pautas, no reglas absolutas. De hecho, la única regla absoluta es "No hay reglas absolutas".

Las pautas generales sirven como base para la mayoría, pero no para todas, las operaciones de conformado y corte de metales. Debe comprender exhaustivamente todas las variables para tomar una buena decisión basada en datos, no solo confiar en las pautas.

En mis artículos y conferencias, me gusta enseñar a los asistentes y lectores a visualizar el material que están formando, estirando o cortando como Silly Putty. Uno de los comportamientos interesantes de este compuesto de juguete es que si lo tiras rápido, se fractura, pero si lo tiras lentamente, se estira.

La mayoría de los materiales que se estiran o estiran profundamente se comportan de manera similar. Esto explica por qué las piezas complejas de embutición profunda, como fregaderos, bañeras y carretillas, suelen fabricarse en prensas hidráulicas más lentas. La velocidad excesiva de una típica prensa mecánica accionada por manivela a menudo provoca que el material se parta porque el material necesita tiempo para fluir.

El punto en el que el punzón entra en contacto con el material durante la embutición profunda es fundamental. En este punto de la carrera de la prensa, el material se ve obligado a pasar de velocidad cero a un valor equivalente a la velocidad del ariete, en tiempo cero. Si no hay tiempo suficiente para iniciar el flujo de metal, el resultado es un estiramiento excesivo y una posible división.

El corte de metales, por otro lado, generalmente se realiza rápidamente. Piense en el corte de metales como en la formación de metales hasta la falla. En el corte de metales, desea que el material falle, por lo que son deseables velocidades excesivas.

El calor y la fricción se generan en todas las operaciones de corte y conformado de metales. La cantidad generada es el producto de muchas variables, incluido el tipo y grosor del material, la geometría de formación, el tipo de acero para herramientas, la fricción entre el material de la hoja y el troquel, la velocidad de formación, la severidad de formación de la característica y el comportamiento. del lubricante

Calor. El calor puede ser un aliado o un enemigo en un proceso de estampado. Un aumento en el calor puede mejorar la ductilidad y el rendimiento del material que está formando. Esta es la razón por la que algunos troqueles necesitan calentarse para funcionar adecuadamente. Cuando quieres doblar una gran pieza de ángulo de hierro, ¿qué haces? Lo calientas y se dobla fácilmente.

FIGURA 1. Muchos aditivos para lubricantes reducen drásticamente el coeficiente de fricción cuando se someten a altas temperaturas, mientras que otros funcionan mejor a temperaturas más bajas.

Este mismo principio se aplica a la formación de metales. De hecho, es la base del proceso de estampado en caliente. Sin embargo, en algunos casos, el calor excesivo puede causar que las secciones de acero para herramientas se dañen y que los lubricantes funcionen de manera inadecuada o se quemen. Posteriormente, pueden ocurrir daños en el troquel, como excoriación, lo que puede contribuir a la división y falla prematura de la herramienta.

Fricción. Los lubricantes contienen aditivos que reaccionan al calor. Muchos aditivos reducen drásticamente el coeficiente de fricción cuando se someten a altas temperaturas, mientras que otros funcionan mejor a temperaturas más bajas (consulte la Figura 1). Los lubricantes que contienen aditivos de alta temperatura, como el azufre, funcionan mejor cuando la fricción y el calor generados son altos. Pero no funcionan bien a temperaturas más bajas, por lo que si no se alcanza la temperatura de funcionamiento del aditivo de azufre, la fricción en la matriz será alta. Esto equivale a valores bajos de flujo de metal, lo que conduce a un mayor estiramiento, lo que conduce a una falla potencial.

Aunque nunca me tomé el tiempo para probarlo, sospecho que la parte del ingeniero de herramientas no se partió a velocidades de formación más altas debido a cuatro factores contribuyentes:

Debido a las numerosas variables en el conformado y corte de láminas de metal, tenemos pautas en lugar de valores absolutos. Por eso es importante tener una comprensión integral de la física detrás de la formación y el corte de metales en lugar de confiar en el conocimiento tribal transmitido de generación en generación.