Elastoformado 101

El elastoformado, también conocido como formación de almohadillas de goma, es un proceso de fabricación de láminas de metal que utiliza una almohadilla de elastómero para un lado de la herramienta de formación y un troquel sólido o punzón en el lado opuesto.

¿Qué es el elastoformado?

El elastoformado, también conocido como formación de almohadillas de goma, es un proceso de fabricación de láminas de metal que utiliza una almohadilla de elastómero para un lado de la herramienta de formación y un troquel sólido o punzón en el lado opuesto. La formación de almohadillas de goma fue desarrollada originalmente a fines de la década de 1930 por Henry Guerin para fabricar componentes estructurales de aeronaves y desde entonces se ha convertido en un requisito previo para muchas aplicaciones aeroespaciales. Se estima que más del 60% de todas las piezas de aviación de chapa metálica se moldean con herramientas flexibles, normalmente empleando elastómeros de poliuretano, para producir productos de calidad de acabado superior con menos defectos relacionados con el proceso.

El elastoformado es un método eficaz para minimizar los costos iniciales de herramientas y simplificar el proceso de conformado al reemplazar las herramientas metálicas con almohadillas flexibles. Se pueden lograr fácilmente una gran variación de tamaños de piezas y configuraciones de piezas múltiples. Se pueden producir piezas de alta calidad en un solo ciclo de prensado que no requiere acabado ni pulido adicional. La simplicidad en el diseño y la aplicación del proceso hace que el elastoformado sea una excelente opción tanto para el desarrollo de prototipos como para la producción de volumen medio a bajo. Se pueden encontrar aplicaciones en los sectores aeroespacial, automotriz y de bienes de consumo. La Figura 1 a continuación es un ejemplo de una prensa hidráulica diseñada para elastoformado.

Macrodyne Elasto Forming Press
Higo. 1: Una prensa de elastoformado de marcos múltiples de 7700 toneladas.

Consideraciones de materiales

Se puede formar cualquier chapa dúctil mediante elastoformado, sin embargo, debido a la resistencia limitada del elastómero, existen restricciones en los espesores de chapa que se pueden procesar. Algunos materiales comunes y espesores máximos típicos se presentan en la tabla 1 a continuación.

Material laminar Grado- Condición Espesor, máximo típico
Acero inoxidable austenitico 304-recocido 1,3 mm / 0,05 “
Acero inoxidable austenitico 316-1 / 4 duro 0,8 mm / 0,03 “
Aleación de aluminio 2024-O 4,7 mm / 0,19 “
Aleación de aluminio 7075-W 4,7 mm / 0,19 “
Aleación de aluminio 2024-T4 1,6 mm / 0,64 “
Aleación de titanio, calentado Ti-6Al-4V 1,0 mm / 0,04 “

Tabla 1: Ejemplos de materiales de chapa para elastoformado.

El uso de elastómeros en herramientas de conformado puede resultar ventajoso debido a; excelente resistencia a la abrasión, capacidad para recuperarse rápidamente de las deformaciones y un alto porcentaje de alargamiento antes de la fractura. El caucho natural (NR), el caucho de silicona (SR) y el caucho de estireno-butadieno (SBR) son elastómeros comunes que se han utilizado tradicionalmente en la formación de almohadillas de caucho; sin embargo, los procesos de elastoformado de hoy en día utilizan con mayor frecuencia almohadillas de poliuretano (PU) debido a durabilidad superior, resistencia al rayado y la capacidad de soportar presiones de formación más altas en comparación con otras alternativas de elastómeros.

La dureza, o valor del durómetro, del poliuretano y el factor de forma tienen un impacto directo en la carga de compresión requerida para formar una pieza. Factor de forma[SF] es la relación de la superficie bajo carga en comparación con el área total de superficies sin carga. La Figura 2 a continuación muestra un ejemplo de una almohadilla de poliuretano con diferentes factores de forma relacionados con la relación tensión-deformación del material elastómero durante la carga de compresión.

Higo. 2: Relación tensión-deformación de diferentes factores de forma del poliuretano con dureza Shore A 70

Ventajas del elastoformado

Algunas de las ventajas del elastoformado en comparación con los procesos de conformado convencionales son:

  1. Solo se requiere una mitad rígida de la herramienta para formar una pieza.
  2. Una almohadilla flexible reemplaza cualquier forma de troquel.
  3. Las herramientas se pueden fabricar con materiales de bajo costo y fáciles de mecanizar debido principalmente a las fuerzas aplicadas de manera uniforme.
  4. Los radios de conformado disminuyen progresivamente durante la carrera, a diferencia de los radios fijos en matrices convencionales.
  5. El adelgazamiento del metal de trabajo se reduce considerablemente.
  6. Se pueden formar diferentes metales y espesores de material en la misma herramienta.
  7. Se pueden formar piezas con un excelente acabado superficial ya que no se crean marcas de herramientas.
  8. El tiempo de preparación es considerablemente más corto ya que no es necesario alinear las herramientas.

Algunas limitaciones son:

  1. La almohadilla flexible tiene una vida útil limitada que depende de la severidad de la formación y del nivel de presión.
  2. La falta de suficiente presión de formación puede resultar en piezas con menos afilado o con arrugas, que pueden requerir un trabajo manual posterior.
  3. La tasa de producción es comparativamente lenta, lo que hace que el proceso sea más adecuado para volúmenes de piezas más bajos .
  4. Las temperaturas de formación elevadas están restringidas al rango de temperatura del elastómero.

Cuándo usar elastoformado

Las prensas de elastoformado hidráulicas brindan la capacidad de fabricar de manera rápida y rentable componentes de chapa de metal de alta precisión para aplicaciones aeroespaciales, automotrices y de electrodomésticos. El proceso es ideal para volúmenes de producción bajos a medianos.

Las piezas hechas de aleación de aluminio, acero inoxidable y aleación de titanio son las más comúnmente formadas con elastoformado. El elastoformado es un proceso de fabricación que se puede utilizar cuando una pieza compleja, que puede haber requerido varios pasos y procesos de corte, doblado y formación de juntas, se puede formar en una sola pieza de chapa metálica con una sola prensa.

La industria aeroespacial utiliza ampliamente el elastoformado para fabricar piezas porque los reglamentos técnicos y las normas de seguridad no permiten que las piezas de chapa se formen con herramientas metálicas convencionales. Las concentraciones de adelgazamiento, deterioro y tensión pueden aliviarse con el uso de herramientas de elastómero mientras se mantiene la calidad y la integridad estructural necesarias para la seguridad de la estructura del avión.

Consideraciones de proceso

Decidir si el elastoformado es el proceso preferido para la fabricación de piezas es un desafío complejo. Se deben tener en cuenta los volúmenes de producción, las tasas de producción, el costo de la pieza, la función de la pieza y las tolerancias de fabricación. Además de la formación de metal, tanto el corte como la perforación también se pueden lograr con elastoformado, como se ilustra en la Figura 3 en la siguiente columna.

Higo. 3: Diferentes operaciones de elastoformado

Procesos alternativos

Los procesos capaces de lograr resultados similares incluyen;

Estampado de metales: se puede emplear si el material que se está formando es dúctil a temperatura ambiente y la calidad de la pieza requerida puede tolerar un proceso de conformado con matriz cerrada. Por lo general, se requieren métodos de diseño de piezas y matrices más tradicionales para gestionar el retorno elástico a fin de producir piezas precisas.

Estampado cálido: Normalmente se utiliza para aleaciones no ferrosas que son difíciles de formar a temperatura ambiente. A menudo se requiere un proceso de enfriamiento y envejecimiento controlado después de la formación para restaurar las microestructuras endurecidas en solución presentes antes de que la hoja sea recocida por calentamiento.

Hidroformado: Un proceso avanzado de formación de láminas y tubos que utiliza presión hidráulica en lugar de un punzón fijo para producir geometrías que no son adecuadas para el estampado, incluidas las formas socavadas o abultadas.

 

Proceso de elastoformado

Descripción general

La configuración básica para el elastoformado típicamente incluye una almohadilla de goma, contenida en un retenedor de almohadilla, fijada al ariete superior de una prensa hidráulica, y un bloque de encofrado, contenido en una platina ubicada en el lecho de la prensa. Un espacio en blanco, que se puede mantener en su lugar con el uso de alfileres y / o nidos, se coloca en el bloque de formulario. A medida que el ariete desciende, el elastómero se moverá y tomará forma alrededor del bloque de encofrado creando la pieza de trabajo. El retenedor de la almohadilla es un marco que se ajusta estrechamente alrededor de la platina para encerrar el elastómero y evitar el flujo lateral cuando se aplica presión.

Higo. 4: Corte de utillaje y montaje para elastoformado.

La almohadilla de elastómero actúa como un fluido y ejerce una presión casi igual en todas las superficies de la pieza de trabajo a medida que se presiona y fluye alrededor del bloque de encofrado. La formación de almohadillas de goma está diseñada para usarse en piezas empotradas moderadamente poco profundas que tienen bridas simples y configuraciones relativamente simples. La altura del bloque de formulario suele ser inferior a 100 mm o 4 pulgadas.

Factores de éxito

Un examen completo de todos los parámetros que afectan el elastoformado está más allá del alcance de este documento. En su lugar, veremos algunos factores clave que se traducen bien en una economía de proceso aceptable: complejidad y tamaño de la pieza, consideraciones de herramientas, tasas de producción y reducción de defectos.

Complejidad y tamaño de la pieza:

El proceso de elastoformado se usa comúnmente para realizar corridas de tamaño bajo a mediano de piezas metálicas ligeras. Debido a la naturaleza de baja compresibilidad de los elastómeros, normalmente no se puede lograr una presión suficientemente alta para evitar arrugas en las piezas embutidas. El elastoformado es ideal para formar piezas empotradas moderadamente poco profundas donde se puede lograr uniformidad de presión en toda la pieza. En la mayoría de los casos, el elastoformado es adecuado para producir piezas con un espesor de chapa de 4 mm o menos.

Consideraciones de herramientas:

El bajo costo de las herramientas es una de las principales ventajas de la formación de almohadillas de goma y es por eso que a menudo es la opción para la creación de prototipos y el desarrollo. Debido a que la matriz de elastómero superior se puede usar con bloques de forma metálica inferiores separados y diferentes, el proceso es bastante económico y mucho más flexible en comparación con los procesos convencionales de formación de metales. La mitad de metal de la herramienta no se desgasta tan rápidamente, sin embargo, las almohadillas de elastómero de la herramienta tienen el potencial de desgastarse más rápido que las contrapartes metálicas. Se puede extender la vida útil de las almohadillas al tener bloques de forma de perfil más bajo y permitir radios de esquina tan generosos como sea posible. Estas técnicas permiten el flujo del elastómero a niveles de tensión más bajos durante el proceso de formación.

Las almohadillas de elastómero se pueden construir a partir de una fundición sólida o en capas extruidas y laminadas que se pueden unir entre sí. Las capas laminadas son ventajosas ya que la superficie de trabajo se puede restaurar de manera eficiente simplemente reemplazando la capa superior. Además, se pueden usar diferentes niveles de dureza en diferentes capas, lo que permite una mayor flexibilidad de producción. En general, cuanto más duro es el material elastómero, mayor es su capacidad de carga.

Tasas de producción:

La producción de piezas elastoformadas suele ser más lenta en comparación con otros procesos de conformado de metales. Aunque las configuraciones iniciales pueden ser muy rápidas, flexibles y económicas, no están diseñadas para durar muchas corridas durante largos períodos de tiempo. Por lo tanto, la cantidad y la producción de piezas deben sopesarse como factores determinantes al considerar el uso de elastoformado.

Reducción de defectos:

El uso de almohadillas de elastómero es un método eficaz para reducir defectos en comparación con procesos alternativos. Debido a que la pieza de trabajo está intercalada entre un elastómero y un bloque de forma metálica, el acabado de la superficie se mejora notablemente, lo que reduce tanto los defectos visibles como los costos de pulido posteriores. Las piezas libres de defectos y de alta calidad son una de las principales ventajas de utilizar un proceso de elastoformado, ya que las superficies pulidas y / o afiladas permanecen inalteradas. Este proceso también permitirá que se utilicen metales prepintados y preacabados.

Es deseable un espesor uniforme en las piezas formadas de metal y, a menudo, es necesario para cumplir con las normas de seguridad y reglamentarias. La presión se distribuye uniformemente a través de la pieza en bruto, lo que resulta en un adelgazamiento significativamente menor de la pieza de trabajo en comparación con otros procesos de conformado.

El uso de equipos accesorios como clips de tracción, placas de cubierta, placas de limpieza, anillos y barras de formación, presas y bloques de cuña se pueden colocar en ubicaciones específicas durante el proceso de formación para ajustar la presión y ayudar a formar formas y características más complejas. Los accesorios también se pueden utilizar para ayudar a prevenir arrugas y distorsiones; sin embargo, el diseño efectivo de piezas y herramientas suele ser la primera línea de defensa para limitar los defectos en las piezas.

Diseño de piezas y herramientas para prevenir defectos

Los principales parámetros controlados del proceso para la formación de almohadillas de caucho que pueden dar como resultado un diseño mejorado de piezas y herramientas son la dureza y las propiedades de las almohadillas de elastómero, la altura y los radios del bloque de forma y el grosor de la pieza de trabajo.

Las piezas elastoformadas deben diseñarse con esquinas redondeadas adecuadas, ya que las esquinas de 90 grados no se pueden lograr por completo con el uso de almohadillas de elastómero. El tamaño real del radio natural de un elastómero cuando se deforma dependerá del material de la almohadilla utilizado y debe tenerse en cuenta en el diseño de la pieza de trabajo terminada. Permitir un radio generoso en las piezas permitirá que el elastómero fluya adecuadamente con una buena distribución de presión a lo largo de toda la pieza de trabajo durante el conformado. Al acercarse a una distribución uniforme de la presión durante el proceso de conformado, se obtienen piezas con un buen detalle de troquel.

Higo. 5: Muestra de pieza de chapa para el proceso de elastoformado

Uno de los desafíos del elastoformado es el arrugado en las piezas conformadas más profundas porque es difícil lograr una presión suficientemente alta en el elastómero debido a su baja resistencia a la compresión. Es importante considerar la profundidad de la pieza formada ya que el elastoformado es más adecuado para producir piezas poco profundas. Los trabajos típicos de elastoformado incluyen formar rebordes alrededor de piezas planas, rebordes elevados, agregar rigidez a la chapa plana mediante la formación de cordones, crear relieves y recortar.

Presione Configuración

Parametros basicos

La configuración de una prensa para producir piezas elastoformadas comienza con los requisitos del proceso de fabricación de piezas. La configuración requiere información sobre el tipo de material, las especificaciones de la pieza, el volumen de producción, la velocidad de producción y el precio objetivo. Estos parámetros tienen una influencia directa en los requisitos de manipulación y conformado, que a su vez influyen en las especificaciones de la instalación y el herramental. El tiempo de preparación es a menudo menor con elastoformado en comparación con el conformado de metal convencional. Solo la mitad de la herramienta es de metal, por lo tanto, alinear las herramientas es mucho menos crítico y aún da como resultado piezas de alta calidad.

Tamaño de la cama

La plataforma de una prensa debe poder acomodar la huella del conjunto de herramientas más grande esperado. Para formas en blanco rectangulares o complejas, la orientación de la pieza dentro del lecho determinará las dimensiones generales del lecho. Se puede calcular una estimación del tamaño de la cama en función de los tamaños en blanco. Además, el tamaño de la cama debe ser capaz de contener los límites exteriores del soporte de la almohadilla que se ajusta alrededor del bloque de encofrado en la cama de la prensa. El retenedor de la almohadilla debe ser lo suficientemente fuerte para contener la presión del elastómero y suele ser de 20 a 30 mm más profundo que la propia almohadilla.

Tonelaje y Velocidades

El elastoformado moderno se ejecuta utilizando una prensa hidráulica programable para controlar repetidamente el tonelaje de conformado y optimizar los tiempos de ciclo. Se puede configurar cualquier tamaño de prensa de hasta 20.000 toneladas.

Los cálculos de tonelaje pueden ser bastante complejos ya que la prensa, el troquel, el material, los radios y el tamaño y la geometría de la pieza son factores que contribuyen. Con geometrías simples, es posible calcular el tonelaje de encofrado requerido con el uso de tablas y fórmulas. Para un hemisferio formado, la siguiente ecuación se puede utilizar como una guía simple:

Dónde;

d = diámetro de la pieza terminada

t = espesor del material

TS = resistencia a la tracción del material

Por ejemplo, una semiesfera de 8 “de diámetro hecha de acero inoxidable 304 de 0.040” de espesor (TS = 73,200 psi), requeriría;

Se requieren 73,588 libras (36,8 toneladas) para formar la pieza. En este ejemplo, se podría recomendar una prensa de 50 toneladas.

Con piezas más complejas, sofisticadas herramientas de cálculo de tonelaje y software de análisis, combinados con prensas hidráulicas programables, se ha vuelto más utilizado para garantizar un proceso de conformado exitoso.

Trazo y luz del día

Debe haber suficiente luz natural entre la almohadilla de elastómero completamente retraída y el bloque de encofrado para permitir la extracción de la pieza terminada de la prensa. En la práctica, esto se traduce en una luz natural que equivale aproximadamente a la carrera de la prensa. Si se utilizará una prensa para producir más de una pieza, la carrera y la luz del día deben adaptarse a las herramientas más grandes esperadas.

Las profundidades máximas de estampado se pueden aumentar mediante el uso de almohadillas más gruesas y prensas más potentes; sin embargo, la cantidad de desgaste del elastómero y el impacto del uso de prensas más potentes son factores que deben tenerse en cuenta.

Macrodyne Elastoforming Press
Higo. 6: Prensa de elastoformado Macrodyne de 4000 toneladas

Capacidades avanzadas

Algunas capacidades avanzadas de elastoformado incluyen:

  1. Diseño de herramientas progresivo para la producción continua de piezas metálicas en fleje con geometrías complejas. El corte, la formación y la perforación se pueden combinar en un solo proceso de almohadilla.
  2. El uso de elastómeros, en microconformado, un proceso de creación de piezas en miniatura con detalles intrincados, puede ayudar a controlar la microescala de deformación del material durante el proceso de formación debido al pequeño tamaño de las piezas. Factores como la minimización de defectos, la precisión dimensional de las piezas formadas y el acabado de la superficie son aún más importantes en la producción de piezas de este tamaño.
  3. La conformación de tubos circulares en columnas triangulares de sección transversal de diferentes ángulos se puede lograr con el uso de procesos de elastoformado.

Referencias de imagen:

  1. Higo. 1: HPP-F1: Prensa de elastoformado de marcos múltiples de 7700 toneladas, Macrodyne
  2. Higo. 2: HPP-F2, M. Ramezani y ZM Ripin, “Procesos de formación de almohadillas de caucho, tecnología y aplicaciones” págs. 52 (Woodhead Publishing Limited, 2012}
  3. Higo. 3: EL101-F3, M. Ramezani y ZM Ripin, “Procesos de formación de almohadillas de caucho, tecnología y aplicaciones” págs. 20 (Woodhead Publishing Limited, 2012}
  4. Higo. 4: HPP-F4: Corte de herramientas y configuración para elastoformado, Macrodyne
  5. Higo. 5: HPP-F5: Muestra de pieza de chapa para el proceso de elastoformado, Macrodyne
  6. Higo. 6: HPP-F6: Prensa de elastoformado de 4000 toneladas, Macrodyne