Estampado en caliente 101

¿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 lámina de 22MnB5 por encima de 900 ° C, la microestructura del metal se convierte de acero ferrítico en acero austenítico, luego, con un enfriamiento rápido en la matriz de estampado, 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 recubrimientos especializados y composiciones químicas avanzadas con una resistencia de hasta 2000 MPa.[290 KSI] y muchas ventajas significativas de propiedades de proceso y 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.

Higo. 1: Propiedades del material y ciclos de enfriamiento para 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:

  1. Menos operaciones de unión por soldadura o sujeción.
  2. Menos parte elástica hacia atrás y parte alabeada.
  3. Menos defectos en las piezas, como grietas y rajaduras.
  4. Tonelaje de prensa reducido en comparación con el conformado en frío.
  5. Capacidad para adaptar las propiedades del material por zona de pieza.
  6. Capacidad de mejora según las microestructuras recibidas.
  7. Menos pasos operativos para un producto terminado.

Cuándo utilizar el estampado en caliente

La estampación en caliente funciona mejor cuando se desean aleaciones de ultra alta resistencia con alta templabilidad, que son muy difíciles de formar a temperatura ambiente, para cumplir con los estrictos requisitos del producto. Como ejemplo predominante, los aceros aleados con boro con bajo contenido de carbono y otras aleaciones de acero con composiciones avanzadas se utilizan para fabricar piezas de carrocería blancas para vehículos de pasajeros, como pilares, parachoques, vigas de puertas y rieles de techo. Consulte la figura 2 a continuación para ver ejemplos de piezas adecuadas para aligerar el peso.

Higo. 2: componentes de cuerpo blanco adecuados para 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.

Consideraciones de proceso

Decidir si el estampado en caliente 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. Se requiere especial atención para la selección del grado apropiado de material que puede beneficiarse del proceso de tratamiento térmico para producir la mejor parte posible. Las piezas en bruto preformadas y hechas a medida son a menudo deseables para obtener propiedades óptimas del material de la pieza. Las piezas estampadas en caliente a menudo son demasiado difíciles de recortar en una prensa, por lo que es posible que se requiera un recorte láser especializado después del conformado.

Procesos alternativos

Los procesos capaces de lograr resultados similares incluyen;

Estampado de metal[Cold] : 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.

Proceso de estampado en caliente

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 de prensa a una prensa hidráulica de estampado en caliente, que se cierra para generar tonelaje muy rápidamente y luego sostiene 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

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.

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.

Diseño de piezas y herramientas para prevenir defectos

Los principales desafíos para el estampado en caliente son el arrugado del material inducido por la fricción y el mantenimiento de las temperaturas para evitar el endurecimiento y el agrietamiento antes de que se complete la pieza.

Para reducir la fricción, el conformado se puede realizar sin almohadillas de presión cuando la geometría de la pieza permite el flujo libre de material hacia la cavidad del troquel. El contacto de la superficie entre la pieza en bruto y la matriz debe minimizarse en el diseño de la pieza. La prevención del desplazamiento lateral se puede lograr con calibres de borde o pasadores para ubicar el espacio en blanco. Se pueden usar almohadillas para agarrar o formar el material en el centro de la pieza. Estas técnicas son contrarias a la estampación en frío, en la que las cuentas de extracción controlan el movimiento del material y aseguran un estiramiento suficiente del material para eliminar el metal libre.

La compresión de las formas con bridas en los radios interiores puede causar arrugas, distorsión y doble metal después de la formación. Se pueden usar almohadillas con espacios para evitar que se formen arrugas de altura excesiva. Los cilindros de separación mantienen la almohadilla separada para permitir que el metal fluya libremente hacia la cavidad, luego los cilindros de separación se comprimen en la parte inferior de la carrera para alisar las arrugas antes de enfriar.

La expansión térmica de la pieza en bruto seguida de la contracción de la pieza formada cuando se enfría dificulta el control de la geometría de la pieza. La medición debe adaptarse a la contracción sin perder efectividad y también permitir que la pieza se mueva libremente cuando sea necesario.

El deterioro de la presión de contacto puede resultar de la abrasión superficial de las superficies de la herramienta, lo que puede resultar en un enfriamiento más lento. El desgaste excesivo de la herramienta aumentará el tiempo de ciclo y el costo de la pieza. El desgaste de la herramienta también puede causar distorsión de la pieza debido a un temple desequilibrado, dejando tensiones residuales por contracción desigual de la pieza.

Higo. 4: Las herramientas de conformado y templado en caliente requieren más mantenimiento que las matrices de estampado en frío convencionales debido a la expansión y contracción térmica que tiene lugar en cada ciclo de prensado. La revisión de calor por ciclos térmicos puede causar grietas en la herramienta y fugas de agua. Los aceros para herramientas requeridos son generalmente H13 o materiales de mejor calidad para choque térmico, choque de formación y abrasión.

Presione Configuración

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.

Higo. 5: Temperatura frente al tiempo de proceso para la formación en caliente

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.

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
Higo. 6: Línea de prensa de estampado en caliente Macrodyne de 1000 toneladas

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 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.

Tonelaje y Velocidades

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.

Trazo y luz del día

Debe haber suficiente luz natural entre el punzón completamente retraído y la cara del troquel para permitir la extracción de la pieza terminada de la prensa. En la práctica, esto se traduce en luz del día que es aproximadamente el triple de la carrera de 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. Es posible que se requieran espacios libres adicionales para adaptarse al enfriamiento del troquel, al calentamiento del troquel, al acceso de robot o alimentador y herramientas de cambio rápido.

Capacidades avanzadas

Algunas capacidades avanzadas de estampado en caliente incluyen:

  1. Conformado en varias etapas antes del temple mediante la utilización de aceros avanzados que inhiben la pérdida de martensita a temperaturas más altas.
  2. Punzonado en caliente y recorte en caliente antes de templar y endurecer la pieza.
  3. Hornos de inducción que pueden precalentar espacios en blanco a diferentes temperaturas por zona de piezas para producir piezas con múltiples microestructuras.