Conformado de chapa metálica por embutición profunda

Embutición profunda Es un proceso de estampación en el que una lámina plana se pasa a través de una matriz cóncava bajo la presión de un punzón para formar una pieza hueca abierta. Entre los diversos tipos de componentes de chapa metálica, la embutición profunda se utiliza a menudo para procesar diversas piezas redondas simples, cabezas hemisféricas y parabólicas compuestas de materiales más grandes o más gruesos.

Proceso y requisitos de embutición profunda

En general, el proceso de embutición profunda debe completarse mediante una matriz de embutición bajo la presión de una prensa. Normalmente, se utiliza el proceso en frío, mientras que el proceso en caliente solo se utiliza para el conformado por embutición profunda de chapas más gruesas con mayores dimensiones exteriores o deformaciones.

1. Proceso de dibujo

La figura muestra el proceso de embutición de una placa plana circular con un diámetro D y un espesor t en el orificio de posicionamiento de la matriz y su embutición en una pieza cilíndrica.

Durante el proceso de embutición profunda, debido al momento flector formado por la fuerza de embutición F y el espacio Z entre las matrices convexa y cóncava, el molde convexo se mueve hacia abajo para entrar en contacto con la chapa y, a continuación, ejerce presión hacia abajo, provocando que la chapa se doble y adquiera una forma cóncava. Esta se guía por las esquinas redondeadas de las matrices. Al introducir el punzón en el orificio de la matriz, la chapa se divide lentamente en tres partes: el fondo, la pared y la brida. A medida que el punzón continúa descendiendo, la parte inferior prácticamente no se mueve, y la brida anular continúa contrayéndose hacia el orificio y es introducida en la cavidad. 

La abertura del molde se transforma en una pared cilíndrica, que aumenta gradualmente de tamaño y la brida se contrae gradualmente. Finalmente, la brida se introduce completamente en la abertura del molde y se transforma en una pared cilíndrica, finalizando así el proceso de embutición. La lámina circular se transforma en un cilindro hueco abierto con un diámetro d1 y una altura h.

2. Análisis de deformación por embutición profunda

Según el proceso de deformación por embutición, se puede saber que el embutido es el proceso en el que la brida anular se contrae gradualmente y fluye hacia el orificio de la matriz para convertirse en la pared del cilindro. El proceso de embutición profunda es un proceso de deformación plástica relativamente complejo, y cada parte dañada del cabello puede dividirse en varias áreas según sus condiciones de deformación.

2.1 Parte inferior del cilindro: La parte circular donde la parte inferior del punzón presiona y contacta con el centro de la chapa se denomina parte inferior. Durante el proceso de embutición, esta zona mantiene una forma plana y está sujeta a una tensión radial uniforme a su alrededor. Se puede considerar que no hay deformación plástica o que esta es pequeña, y el material de la parte inferior transfiere la fuerza del punzón a la pared del cilindro, generando tensión de tracción axial.

2.2 Pieza de brida: La zona anular de la matriz es la brida, la principal zona de deformación durante la embutición profunda. Durante la embutición profunda, el material de la brida genera tensión de tracción radial debido a la fuerza de embutición. Cuando los materiales se contraen y fluyen hacia el orificio de la matriz, se comprimen entre sí, generando una tensión de compresión tangencial 3. Su función es similar a la de tirar de una pieza en forma de sector de la pieza bruta F a través de una ranura imaginaria en forma de cuña para obtener la deformación de F, como se muestra en la figura.

Cuando la brida es grande y el material de la lámina es delgado, la parte de la brida pierde estabilidad debido a la tensión de compresión tangencial durante el embutido, lo que produce el llamado "fenómeno de arrugamiento". Por lo tanto, se suele utilizar un portapiezas para prensar la brida y realizar el prensado de bordes.

2.3 Pared simple: Esta es la zona deformada, formada por la transferencia de flujo del material de la brida mediante compresión tangencial, estiramiento radial y contracción, y prácticamente ya no sufre deformaciones importantes. Al continuar el embutido, transmite la fuerza de embutido del punzón a la brida. El material de la pared simple soporta la tensión de tracción unidireccional durante el proceso de transmisión de la fuerza de embutido, presentando un ligero alargamiento longitudinal y un ligero aumento de espesor. Se observa adelgazamiento.

2.4 La esquina redondeada de la matriz cóncava: la zona de transición donde se unen la brida y la pared del cilindro. La deformación del material en esta zona es más compleja. Además de tener las mismas características que la brida, está sujeta a tensión radial de tracción y compresión tangencial. También soporta la tensión de compresión gruesa cóncava formada por la extrusión y la flexión del filete de la matriz.

2.5 La parte redondeada del punzón: la zona de transición donde se unen la pared simple y la base del cilindro, se somete a tensión de tracción en las direcciones radial y tangencial. La parte gruesa se somete a extrusión y flexión para generar tensión de compresión. Durante el proceso de embutición, la dirección radial se alarga y el espesor se reduce. El adelgazamiento más importante se produce en la unión entre la esquina redondeada del punzón y la pared del cilindro. 

Al comenzar el embutido, este se encuentra entre las matrices convexa y cóncava, por lo que se requiere menos material para transferir. El grado de deformación es bajo, el grado de endurecimiento por trabajo en frío es bajo y no hay fricción beneficiosa en las esquinas redondeadas del punzón. El área que debe transmitir la fuerza de embutido es pequeña. Por lo tanto, esta parte se ha convertido en la "sección peligrosa" con mayor probabilidad de rotura durante el embutido profundo.

3. Cambios en el espesor de la pared de las piezas embutidas

La imagen muestra el espesor desigual de las paredes de las piezas embutidas. Esta muestra la variación del espesor de la pared del cabezal elíptico de acero al carbono durante el embutido, y la del cilindro con brida utilizando el portapiezas.

4. Requisitos del proceso para el procesamiento de embutición profunda

El proceso de embutición profunda permite procesar piezas con formas complejas y obtener piezas de paredes delgadas con formas cilíndricas, escalonadas, cónicas, cuadradas, esféricas y diversas formas irregulares. Sin embargo, la precisión del procesamiento de piezas embutidas depende de diversos factores, como las propiedades mecánicas y el espesor del material, la estructura y precisión del molde, el número y la secuencia de procesos, etc. La precisión de fabricación de las piezas embutidas generalmente no es alta, y la precisión adecuada se encuentra por debajo del nivel IT11. 

Al mismo tiempo, debido a la influencia del rendimiento de deformación por embutición profunda, la procesabilidad de las piezas embutidas afecta directamente su uso más económico y sencillo. Se procesa mediante el método de embutición profunda e incluso influye en su viabilidad. Los requisitos del proceso para piezas embutidas profundas son los siguientes.

Precisión estructural y del molde, número y secuencia de procesos, etc. La precisión de fabricación de las piezas embutidas generalmente no es alta, y la precisión adecuada se encuentra por debajo del nivel IT11. Al mismo tiempo, debido a la influencia del rendimiento de deformación de la embutición profunda, la procesabilidad de las piezas embutidas afecta directamente su uso más económico y sencillo. Se procesa mediante el método de embutición profunda, e incluso influye en su capacidad para procesarse mediante este método. Los requisitos del proceso para las piezas embutidas profundas son los siguientes.

4.1 La forma de las piezas embutidas debe ser lo más simple y simétrica posible. Al diseñar piezas embutidas, se debe considerar la tecnología de procesamiento y, en la medida de lo posible, adoptar una forma que sea más fácil de conformar y cumpla con los requisitos de uso. La imagen muestra la clasificación según la dificultad del conformado por embutición profunda. En la figura, la dificultad de conformado de los distintos tipos de piezas embutidas aumenta de arriba a abajo. 

La dificultad de piezas embutidas profundas similares aumenta de izquierda a derecha. Entre ellos: e representa la longitud mínima del borde recto, f representa el tamaño máximo de la pieza embutida, a representa la longitud del eje corto y 6 representa la longitud del eje largo.

4.2 Para piezas cilíndricas embutidas con bridas, al embutir con un portapiezas, la brida más adecuada está en el siguiente rango:

4.3 La profundidad del dibujo no debe ser excesiva (es decir, H no debe ser mayor que 2d). Cuando se pueda dibujar de una sola vez, su altura debe ser preferiblemente:

4.4 Para piezas embutidas cilíndricas, el radio de filete r entre el fondo y la pared debe ser r > t, y el radio de filete entre la brida y la pared r > 2t. Considerando las condiciones que favorecen la deformación, se recomienda considerar r ≈ (3~5)t, r ≈ (4~8)t. Si r (o r) > (0,1~0,3)t, se puede aplicar conformación.

Forma estructural de la matriz de embutición y su selección

Si bien las formas de las piezas de embutición profunda son diversas, la estructura de las matrices de embutición está relativamente estandarizada. Dependiendo de las condiciones de trabajo y del equipo utilizado, las estructuras de las matrices también varían. La adopción de la estructura de la matriz de embutición generalmente requiere los cálculos necesarios del proceso, para luego seleccionar el plan de embutición correspondiente.

El procesamiento de embutición profunda puede realizarse en una prensa general de acción simple, de doble o triple acción. Las matrices de embutición que funcionan en las prensas de acción simple se dividen en dos tipos: matrices de embutición inicial y matrices de embutición inicial y posteriores. Dependiendo de si se utiliza un portapiezas, se dividen en dos tipos: con portapiezas y sin portapiezas. Según el tipo de prensa, se dividen en matrices de embutición para prensas de acción simple, matrices de embutición para prensas de doble acción, etc.

1. Primer troquel de dibujo

La imagen muestra la primera matriz de embutición profunda sin portafilo. Para embutir, se coloca la pieza plana en la placa de posicionamiento de la matriz. El punzón se mueve hacia abajo impulsado por la corredera de la prensa, presionando el material defectuoso contra la matriz hasta que este se introduce completamente y se forma. El extremo superior de la pieza embutida sobrepasa el anillo rascador. Cuando la corredera de la prensa impulsa el punzón hacia arriba, el anillo rascador retira la pieza del punzón para completar el proceso de embutición profunda.

La primera matriz de embutición sin soporte de borde se utiliza generalmente para piezas de embutición poco profundas, con poca profundidad de embutición, que se pueden prensar de una sola vez. Cuando el punzón es pequeño, la estructura general se puede adaptar y fijar mediante la placa de fijación del punzón. Para evitar que la pieza se adhiera firmemente al punzón, se deben diseñar orificios de ventilación en este.

La figura a muestra una matriz cóncava de extremo plano con arcos, ideal para el procesamiento de piezas grandes. La figura b muestra una abertura de matriz cónica, y la figura c muestra una abertura de matriz cóncava con forma evolvente. Son ideales para el procesamiento de piezas pequeñas. Dado que la estructura de la matriz de la figura bc muestra una transición curva de la pieza bruta durante el embutido, el tamaño aumenta. 

Capacidad anti-inestabilidad, la fuerza de la boca de la matriz en la zona de deformación de la pieza en bruto también ayuda a producir una deformación por compresión tangencial, reduciendo la resistencia a la fricción y la resistencia a la deformación por flexión, lo que es beneficioso para la deformación por embutición profunda y puede mejorar la calidad de la pieza, pero el procesamiento es más difícil.

La imagen b muestra la primera embutición profunda con un anillo elástico. Este anillo se instala en el molde superior. Al descender el punzón, el material defectuoso se presiona firmemente por la fuerza del resorte, de modo que se aproxima a la parte cóncava durante el proceso de embutición.

Debido a la limitación del espacio del molde superior, no se pueden instalar resortes gruesos, por lo que este tipo de molde solo es adecuado para embutir piezas a baja presión. Se suele utilizar para embutir piezas con materiales delgados, poca profundidad y con tendencia a arrugarse.

Al embutir una pieza de gran profundidad, se requiere un resorte (o goma) más grande, y su instalación es difícil si el resorte aún se coloca en la parte superior del molde. Por lo tanto, se puede utilizar una estructura montada en la parte inferior para facilitar el ajuste de la fuerza del portapiezas.

2. Molde de embutición profunda para cada uso después de la primera vez

La figura a muestra la primera embutición profunda y las subsiguientes sin portapiezas. Permite embutir productos semiacabados que han sido embutidos a un tamaño determinado y luego embutirlos de nuevo. Generalmente, se utiliza en aplicaciones donde el grado de deformación no es elevado y se requiere que el espesor de pared de las piezas embutidas sea uniforme. 

Además, se debe garantizar la precisión dimensional y diametral de las piezas con un ligero adelgazamiento. Para este tipo de molde, generalmente, para evitar pérdidas por fricción, es necesario reducir al máximo la longitud de la parte de trabajo de pared recta del molde cóncavo.

La figura b muestra la estructura de la matriz de embutición para la primera y las siguientes operaciones de embutición de piezas cilíndricas con anillos de borde. El posicionador 11 adopta una estructura de tipo manguito y desempeña simultáneamente la función de prensado y posicionamiento de bordes. La fuerza de prensado es proporcionada por la fuerza del cilindro transmitida por el pasador expulsor 13. 

Para evitar arrugas durante la embutición profunda del material, se puede ajustar la posición del pasador de expulsión de límite 3 para ajustar la presión. La fuerza del borde mantiene equilibrada la fuerza del sujetabordes, evitando que el material defectuoso quede demasiado apretado.

El proceso de trabajo del molde es: la corredera del punzón se mueve hacia arriba, el molde se abre y el pasador expulsor 13 levanta el posicionador 11 hasta el punzón 1 a través de la placa de fijación del posicionador 12 bajo la acción del cilindro de prensa.

Las caras de los extremos están alineadas. En este momento, la pieza embutida se inserta en el anillo exterior del posicionador 11. La corredera de la prensa comienza a descender. El pasador expulsor de límite 3 entra en contacto con la cara superior de la placa de fijación del posicionador 12. Al mismo tiempo, la matriz 2 también entra en contacto con la superficie superior del posicionador 11, y a medida que la prensa...

A medida que la corredera desciende gradualmente, el expulsor de límite 3 presiona gradualmente la placa de fijación del posicionador 12, y la matriz 2 y el posicionador 11 trabajan conjuntamente para embutir gradualmente el producto semiacabado en un producto terminado. Una vez finalizado el embutido, el expulsor 13 empuja el posicionador 11 hasta que queda a ras de la superficie superior del punzón 1 bajo la acción del cilindro de la prensa. Simultáneamente, el martillo 7 expulsa las piezas embutidas de la cavidad del molde hembra 2.

Para piezas embutidas con un diámetro d ≤ 100 y piezas embutidas con bridas o formas complejas, a fin de facilitar el conformado por embutición profunda, se debe prestar atención a la correcta relación entre la forma y el tamaño de las matrices de punzonado en los procesos previos y posteriores, de modo que las formas y tamaños de los punzones fabricados en los procesos previos sean correctos. La forma de la pieza intermedia facilita el conformado en los procesos posteriores. La relación entre las dimensiones de cada proceso de embutición y su radio de filete se muestra en la Figura a, donde t es el espesor del material.

Para piezas cilíndricas de embutición profunda de tamaño grande y mediano con un diámetro d>100, durante las primeras etapas de embutición y la embutición profunda previa al conformado final, las esquinas del cilindro suelen utilizar una estructura de conexión con un ángulo de bisel de 45° para evitar un exceso de material en las esquinas redondeadas. Esta estructura es más delgada y favorece la embutición profunda. Esta estructura no solo facilita la localización del cabello en el siguiente proceso, sino que también reduce la necesidad de doblarlo y colocarlo repetidamente, mejora las condiciones para la deformación del material durante la embutición profunda y reduce su adelgazamiento. 

Esto ayuda a mejorar la calidad de las paredes laterales de las piezas estampadas. Sin embargo, es importante tener en cuenta que el diámetro inferior debe ser igual al diámetro exterior del punzón durante el siguiente proceso de embutición. La relación entre el radio de filete del punzón y la matriz cóncava, y el radio de filete del anillo de borde en los procesos frontal y posterior se muestra en la Figura b.

3. Matriz de embutición para prensa de doble acción

Al utilizar una prensa de doble acción para embutición profunda, la corredera exterior presiona el borde y la corredera interior embute profundamente. Las piezas embutidas que se muestran en la Figura a se cortan y embuten directamente a partir de tiras y se procesan mediante una prensa de embutición de doble acción.

La figura b muestra un diagrama esquemático de la estructura del molde de las piezas mencionadas. Tras posicionar la tira con el pasador de posicionamiento 2, el soporte de la pieza 7 y la base inferior de la matriz 1 trabajan conjuntamente para realizar el troquelado. Se expulsan la matriz convexa de embutición 4 y la matriz cóncava de embutición 3. Los bloques 6 trabajan conjuntamente para embutir y dar forma al material defectuoso tras el troquelado. Finalmente, el pasador de expulsión 5 acciona el bloque de expulsión 6 para expulsar las piezas embutidas de la cavidad de la matriz cóncava de embutición 3.