¿Qué es el estampado en caliente?
El estampado en caliente, conocido como endurecimiento por prensado en Europa, y el conformado por prensado en caliente en Asia, es un proceso de conformado térmico para láminas de metal en el que se realiza el conformado y el tratamiento térmico metalúrgico durante el proceso de estampado. El endurecimiento por presión se desarrolló originalmente en la década de 1970 para fabricar herramientas agrícolas de acero endurecido, pero desde entonces ha tenido un gran impacto comercial en la fabricación de carrocerías blancas ligeras y de alta resistencia en la industria automotriz. La reducción del consumo de combustible y la seguridad del vehículo han impulsado el uso universal de componentes de acero de ultra alta resistencia que fue posible gracias a la llegada del proceso de estampado en caliente.
El desarrollo inicial y la progresión de la estampación en caliente se centró en el acero aleado de boro y manganeso con bajo contenido de carbono 22MnB5 debido al uso predominante y la disponibilidad en el sector de pasta blanca. Al calentar la chapa 22MnB5 por encima de 900 °C, la microestructura del metal pasa de acero ferrítico a acero austenítico, y después, con un enfriamiento rápido en la matriz de estampación, la fase de acero se transforma en martensita, con una resistencia de hasta 1500 MPa [220 KSI]. Desde entonces se han desarrollado grados de acero al carbono más altos, con revestimientos especializados y composiciones químicas avanzadas, con una resistencia de hasta 2000 MPa [290 KSI] y muchas ventajas significativas en cuanto al proceso y las propiedades del material.
El estampado en caliente requiere una prensa servohidráulica programable con velocidades de avance rápidas y capacidad de permanencia para controlar repetidamente el tonelaje para los procesos de enfriamiento y conformado en caliente. El equipo auxiliar incluye típicamente un horno de solera de rodillos o un horno apilado para calentar la chapa, robótica de transferencia de material o alimentadores, un sistema de enfriamiento de la matriz y operaciones de recorte de piezas. El estilo del marco de la prensa, los sistemas de guía, las velocidades, el tonelaje, la dirección de alimentación del material, el cambio rápido de troquel y la capacidad de carga descentrada deben evaluarse cuidadosamente para garantizar que una prensa esté optimizada para aplicaciones específicas de estampado en caliente.
Consideraciones de materiales
Cualquier metal tratable térmicamente o difícil de formar puede beneficiarse del estampado en caliente cuando la producción de piezas complejas de alta resistencia es una ventaja. Algunos ejemplos de materiales se presentan en la tabla 1 a continuación.
| Material | Calificación | Fuerza |
| Acero aleado al boro, 0,22% C | 22MnB5 | 1500 MPa |
| Acero aleado al boro, 0,30% C | 30MnB5 | 1800 MPa |
| Acero aleado al boro, 0.37% C | 37MnB5 | 2000 MPa |
| Aleación de aluminio, serie 6000 | 6061-T6 | 300 MPa |
| Aleación de aluminio, serie 7000 | 7075-T76 | 500 MPa |
| Aleación de magnesio | AZ31B-H | 300 MPa |
| Aleación de titanio | Ti-6Al-4V | 900 MPa |
| Aleación de cobre y níquel | C71500 | 500 MPa |
Tabla 1: Ejemplos de materiales de chapa para estampación en caliente.
No todos los metales exhibirán la transformación de alta resistencia que se encuentra en los aceros al boro cuando se estampan en caliente. La adición de boro a los aceros al carbono promueve la transformación de fase a martensita cuando se enfría rápidamente. Las láminas de acero que no están aleadas para la transformación de fase no se pueden endurecer a una resistencia ultra alta, sin embargo, la adaptación de la dureza a través del enfriamiento y calentamiento de la zona se puede usar para controlar la microestructura y, por lo tanto, las propiedades del material. La mayoría de las aleaciones no ferrosas exhibirán mejoras limitadas en la dureza, pero el moldeado en caliente puede mejorar la conformabilidad de formas complejas, eliminar el retorno elástico y reducir defectos en muchas aplicaciones.
La corrosión, descarbonización y descamación de los materiales laminados a altas temperaturas del horno es un problema para el estampado en caliente. Los aceros sin recubrimiento requieren atmósferas de gas inerte para minimizar la formación de incrustaciones. Los recubrimientos resistentes a la corrosión, como el aluminio-silicio, se aplican a menudo a las láminas de acero para eliminar la necesidad de eliminar las incrustaciones. La adición de elementos de aleación específicos también puede reducir la corrosión y, en algunos casos, reducir el enfriamiento requerido para mantener la dureza y permitir operaciones de conformado de múltiples pasos.
Los metalúrgicos y los productores de acero han dedicado un esfuerzo significativo a mejorar los materiales utilizados para la estampación en caliente. La Figura 1 a continuación ilustra la relación entre el alargamiento y la resistencia a la tracción para el acero al boro 22MnB5 en estado recocido y estampado en caliente en comparación con otras composiciones de acero, como el acero dulce y los aceros convencionales de alta resistencia. La superposición del diagrama de fase-tiempo de temperatura a la derecha ilustra las condiciones requeridas para producir acero martensítico y las zonas de tiempo y temperatura donde ocurrirán otras fases en 22MnB5.
Ventajas de la estampación en caliente
Las ventajas de los componentes estructurales de estampación en caliente son la excepcional resistencia a la tracción final tal como están formados y las geometrías complejas que se pueden formar. La elevada resistencia de las piezas estampadas en caliente permite reducir el peso de los componentes mediante el uso de láminas de metal de calibre más delgado, mientras se mantiene tanto la integridad estructural como el rendimiento en caso de impacto. A continuación se enumeran otras ventajas:
- Menos operaciones de unión por soldadura o sujeción.
- Menos parte elástica hacia atrás y parte alabeada.
- Menos defectos en las piezas, como grietas y rajaduras.
- Tonelaje de prensa reducido en comparación con el conformado en frío.
- Capacidad para adaptar las propiedades del material por zona de pieza.
- Capacidad de mejora según las microestructuras recibidas.
- Menos pasos operativos para un producto terminado.
Cuándo utilizar el estampado en caliente
El número de partes del cuerpo formadas en caliente y el grado de reducción de peso sigue aumentando en este mercado altamente competitivo y estrictamente regulado.
Los usos en aviación, aeroespacial, defensa y otros mercados emergentes están comenzando a experimentar los beneficios de una mayor resistencia y un peso más liviano que es posible gracias al estampado en caliente de aleaciones avanzadas difíciles de formar.
Los procesos capaces de lograr resultados similares incluyen;
Estampación de metales [En frío]: Si el material que se está formando es lo suficientemente dúctil a temperatura ambiente, se pueden fabricar piezas similares de alta resistencia sin necesidad de calentar y recocer la chapa. 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.
Fabricación: Para la creación de prototipos o pequeñas series de producción, las piezas se pueden producir a partir de varias hojas mediante soldadura u otros procesos de unión. En la mayoría de los casos, la fabricación solo es apropiada cuando el volumen de producción no es lo suficientemente alto como para justificar el costo de las herramientas dedicadas.
Descripción general
El estampado en caliente implica el enfriamiento rápido de aceros de ultra alta resistencia que se han calentado y formado para darles forma. El proceso comienza con el desapilado de una pieza en bruto que se carga en un horno u horno para ser calentada. La pieza en bruto calentada se transfiere mediante un sistema de alimentación a una prensa hidráulica de estampación en caliente, que se cierra para generar tonelaje muy rápidamente y luego retiene la pieza hasta que se enfría. Cuando se completa este proceso, el componente endurecido se descarga automáticamente de la prensa hidráulica mediante un sistema de descarga de la prensa para el acabado. La Figura 3 a continuación ilustra los elementos básicos del estampado en caliente.
Higo. 3: Elementos de proceso de estampado en caliente directo e indirecto
Factores de éxito
El estampado en caliente directo es más frecuente en la industria. El estampado en caliente indirecto agrega un paso de conformado en frío antes de calentar.
Un examen completo de todos los parámetros que afectan el estampado en caliente 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: propiedades del material, herramientas de enfriamiento, tasas de producción y reducción de defectos.
Propiedades materiales:
La alta templabilidad del material se traduce en una mayor resistencia, lo que reduce directamente el peso de la pieza. En el sector del automóvil, esto significa una mejor economía de combustible y una mayor seguridad de los pasajeros. La alta resistencia a la tracción no es el único requisito. La resistencia a los choques también se basa en las propiedades del acero dúctil que absorbe energía para estar presente en las zonas de deformación. Los aceros avanzados de alta resistencia deben cumplir ambos objetivos. Los métodos clave para lograr estos resultados son los espacios en blanco hechos a la medida y el tratamiento térmico por zonas en las herramientas de enfriamiento.
Herramientas para formar y enfriar:
Una herramienta de conformado y templado bien diseñada es fundamental para el éxito de la pieza que se está produciendo. Las zonas de alta resistencia deben templarse rápidamente para producir las propiedades deseadas del material. Las zonas de componentes aislados que requieren propiedades más dúctiles se enfrían más lentamente y, en algunos casos, las herramientas se calientan para lograr la microestructura adecuada. Se requieren aceros especializados para herramientas de trabajo en caliente que puedan sobrevivir a los rigores de los ciclos térmicos repetidos para minimizar el desgaste de la matriz y reducir las fallas de las herramientas. Las superficies de trabajo de la herramienta a menudo se endurecen mediante nitruración y otras técnicas de deposición de material para resistir la abrasión y aumentar la vida útil de la herramienta.
Tasas de producción:
El endurecimiento por prensa es un proceso significativamente más lento que el estampado tradicional principalmente debido al tiempo requerido para templar la pieza. Las velocidades típicas del ciclo de prensado son de 10 a 30 segundos y los materiales más gruesos tardan más debido al tiempo adicional necesario para templar. La demora adicional también se puede atribuir a la necesidad de corte con láser cuando la pieza templada es demasiado dura para el corte y punzonado en prensa posterior al proceso. Una técnica que se ha empleado para reducir los tiempos de ciclo es la adición de silicio a la composición de la aleación que permite salidas de temperatura de templado más altas para facilitar un conformado de múltiples pasos más rápido con punzonado y recortado en caliente.
Reducción de defectos:
El estampado en caliente obtiene un pase de pasillo en la parte posterior del resorte como un defecto debido al proceso de recocido que hace posible la formación de formas profundas y complejas, pero las altas temperaturas significan acero pegajoso. La alta temperatura también significa que no se puede aplicar lubricación a la hoja y la fricción es un problema importante. Además, los recubrimientos de material utilizados para evitar la descarburación y la formación de incrustaciones durante el calentamiento de la pieza en bruto pueden ser muy abrasivos para las superficies de las herramientas. Como resultado, manejar la fricción es fundamental para evitar un adelgazamiento, rotura y agrietamiento excesivos en la pieza, así como un desgaste excesivo de la matriz debido a la abrasión.
El diseño de la pieza y de la herramienta de prensado para reducir y evitar los defectos durante el proceso de estampación en caliente se centra principalmente en mantener las temperaturas de conformado y controlar el flujo de material. Si la chapa se enfría demasiado deprisa antes de terminar el conformado, es probable que la pieza se endurezca y se agriete. Si la fricción de conformado no puede controlarse o reducirse eficazmente, las piezas desarrollarán arrugas.
Minimizar los efectos negativos de la fricción y mantener el flujo de material es un reto importante para la estampación en caliente. Las elevadas temperaturas no permiten utilizar ningún lubricante de conformado y el metal se vuelve muy blando y pegajoso en caliente. En la medida de lo posible, el diseño debe intentar minimizar el contacto superficial entre la geometría de la pieza y la chapa metálica en bruto. Minimizar el contacto permitirá un flujo de material más libre, sin embargo, el flujo también debe controlarse durante el ciclo para evitar que se arrugue la pestaña y se desalinee la pieza.
Mantener la chapa lo suficientemente caliente para evitar que se endurezca y agriete durante el proceso de conformado es otro reto importante. La contracción del material durante el enfriamiento puede dificultar el control de las geometrías de las piezas. Unido a este problema está el desgaste de la herramienta, tanto por abrasión como por ciclos térmicos, que puede reducir la vida útil de la herramienta y comprometer la calidad de la pieza. Los aceros para herramientas de trabajo en caliente suelen ser necesarios para minimizar los efectos del choque térmico, la tensión de conformado y el desgaste. El desgaste puede reducirse aún más aplicando tratamientos superficiales endurecidos, como la nitruración, a las cavidades acabadas de la matriz. Mantener una buena calidad superficial permite tiempos de ciclo rápidos y un endurecimiento más controlado de la pieza durante el temple.
A continuación, en la Tabla 2, se enumeran algunas técnicas habituales para promover el éxito en el diseño de piezas y herramientas.
Elemento de diseño | Cuestión controlada |
Minimizar el contacto entre matriz y pieza bruta | Reducción de la fricción |
Almohadillas de hueco abierto en las bridas | Limitar la altura de las arrugas |
Almohadillas de hueco cerrado en las bridas | Planchar las arrugas |
Almohadillas de palo centralizadas | Lugar en blanco |
Calibradores de espigas o bordes | Desplazamiento lateral |
Calibrado dinámico | Contracción |
Endurecimiento de la superficie de la matriz | Desgaste de la herramienta / duración del ciclo |
Limitar el uso de almohadillas de presión | Reducción de la fricción |
Tabla 2: Estrategias de diseño de piezas y herramientas.
Parametros basicos
La configuración de una prensa para producir piezas estampadas en caliente 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 factores tienen una influencia directa en los requisitos de manipulación, conformado y templado, que a su vez influyen en las especificaciones de la instalación y el herramental. Un diagrama de temperatura versus tiempo de proceso a continuación ilustra los pasos en el proceso que dictarán los requisitos del proceso y la tasa de producción alcanzable.
Hay varias variables clave a considerar al comprar una prensa de estampado en caliente o una línea de prensa de estampado en caliente totalmente automatizada.
- Los sistemas hidráulicos y de control para una prensa de estampado en caliente deben ser completamente programables y ofrecer un control de tonelaje repetible, por esta razón muchas aplicaciones de estampado en caliente utilizan prensas servohidráulicas. Con estos sistemas, el aceite debe estar extremadamente limpio y puede valer la pena considerar sistemas de filtrado en línea o fuera de línea además de los filtros de cartucho estándar.
- Los servohidráulicos son generalmente de diseño mucho más complicado y la mayoría de los clientes disfrutan de tener una conexión remota del OEM a la prensa para ayudar con la resolución de problemas.
- Si bien hay muchos diseños de circuitos diferentes, normalmente la prensa querrá tener un circuito de preprensado que se pueda mover rápidamente a prensado a tonelaje completo cuando sea necesario.
- Dado que las prensas de estampación en caliente son caras y normalmente necesitan ejecutar varios productos con múltiples matrices, los carros de matrices junto con los sistemas automáticos de sujeción de matrices son populares para reducir el tiempo de cambio de matrices y maximizar la producción anual.
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 aproximada del tamaño de la cama en función del tamaño del espacio en blanco. El acceso amplio a la cama desde los cuatro lados de una prensa de estampado en caliente es ventajoso para la transferencia de material automatizada y las herramientas de cambio rápido de matriz.
El sistema de control de una prensa hidráulica de estampado en caliente debe ser capaz de realizar un control de tonelaje completamente programable y repetible para optimizar el proceso y reducir el consumo de energía. La prensa debe poder producir suficiente tonelaje para formar la pieza y mantenerla / endurecerla, pero debe evitarse un tonelaje excesivo. El tonelaje que se aplica más allá de lo requerido puede causar un consumo de energía excesivo y desgaste de las herramientas. Un rango típico de tonelaje de estampado en caliente es de 500 a 1500 toneladas.
La pieza en bruto calentada comienza a enfriarse rápidamente inmediatamente después de ser retirada del horno, por lo que es fundamental que la prensa se cierre y genere tonelaje para formar la pieza muy rápidamente. La carga automatizada de piezas normalmente requiere que la prensa esté abierta una cantidad considerable para permitir un amplio espacio libre. Este gran espacio libre hace que sea aún más crítico que la prensa pueda abrirse y cerrarse muy rápidamente. Normalmente, se requieren velocidades de cierre de 500 a 1000 mm por segundo. Las velocidades de retorno rápido son algo más lentas, pero están optimizadas para reducir los tiempos de ciclo.
Algunas capacidades avanzadas de estampado en caliente incluyen:
- Conformado en varias etapas antes del temple mediante la utilización de aceros avanzados que inhiben la pérdida de martensita a temperaturas más altas.
- Punzonado en caliente y recorte en caliente antes de templar y endurecer la pieza.
- Hornos de inducción que pueden precalentar espacios en blanco a diferentes temperaturas por zona de piezas para producir piezas con múltiples microestructuras.
Referencias de imágenes
- Higo. 1: HS101-F1, García Aranda L, Chastel Y, Fernandez Pascual J, Dal Negro T, 2002 Experimentos y simulación de estampación en caliente de aceros templables. Tecnología avanzada de plasticidad 2, 1135-40
- Higo. 2: HS101-F2, A. Nagathan y L. Penter, Capítulo 7: Estampado en caliente, «en Procesos y aplicaciones de conformado de chapa metálica (T. Altan y A. Tekkaya, eds.), Págs. 153 {163, ASM International, 2012.
- Higo. 3: HS101-F3, H. Engels, O. Schalmin, C. Müller-Bollenhagen, “Control y seguimiento del proceso de estampación en caliente de aceros tratados térmicamente aleados con boro”, Conferencia internacional “Nuevos desarrollos en el conformado de chapas metálicas Tecnología ”, págs. 135 ~ 150, Stuttgart Alemania, 2006
- Fig. 4: HS101-F5, Erhardt, R., Boke, J.: Industrial application of hot forming press simulation,1ª Conferencia Internacional sobre Conformado en Caliente de Chapa Metálica de Acero de Alto Rendimiento, Kassel, Alemania, (2008) pp. 83-88.
- Higo. 5: HS101-F6, Línea de estampación en caliente Macrodyne de 1000 toneladas
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