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Deep Drawing 101

¿Qué es el dibujo profundo? La embutición profunda es un proceso de formación de metal para crear piezas de chapa metálica sin costura que están cerradas en un extremo y tienen una profundidad mayor que su radio. Las piezas embutidas adquieren su forma introduciendo metal en una cavidad en lugar de estirar o adelgazar sobre un troquel, por lo que el grosor de la hoja original permanece esencialmente igual de principio a fin.

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Una parte embutida profunda se puede reconocer por su profundidad y sus esquinas redondeadas y lisas. Los ejemplos van desde latas, ollas, barriles y cilindros de gas comprimido hasta ojales, fregaderos y paneles de carrocería de automóviles. Las piezas simples se pueden dibujar en su forma final en un solo paso, mientras que las formas complejas, incluidas las piezas que son especialmente profundas, pueden requerir varios pasos. El embutido profundo generalmente se usa en combinación con otras técnicas como el corte y la perforación para crear un producto terminado. En algunos casos, todos los pasos se pueden completar con una sola pulsación. Schaller de extracción profunda de 300 toneladas Ventajas de la embutición profunda La embutición profunda ha existido durante siglos, y por una buena razón.

 

El proceso es preciso y repetible con muchas ventajas:

  • Sin costuras: el embutido profundo produce formas uniformes y sin costuras, lo que reduce los posibles puntos débiles en la pieza terminada.

  • Resistencia: en algunos casos, el endurecimiento del material durante la deformación puede aumentar la resistencia de las piezas.

  • Uniformidad: las piezas embutidas tienen un alto grado de consistencia desde el inicio de la producción hasta el final.

  • Tiempo de ciclo rápido: las prensas configuradas para embutición profunda se pueden ciclar rápidamente, lo que hace que esta sea una forma muy eficiente de producir grandes cantidades de piezas.

  • Mano de obra técnica reducida: la embutición profunda se puede automatizar, lo que reduce significativamente los costos de mano de obra.

  • Bajo mantenimiento: las configuraciones de embutición profunda requieren menos mantenimiento continuo que los procesos de la competencia.

  • Ensamblaje más rápido: el embutido profundo puede crear formas con un extremo cerrado, reduciendo o eliminando la necesidad de fabricación o soldadura como procesos secundarios.

Cuándo utilizar Deep Drawing

 

La embutición profunda funciona mejor con metales dúctiles. En general, cualquier metal que pueda ser laminado en frío para formar una hoja debe tener suficiente ductilidad para ser embutido en profundidad, pero es posible que también se deban considerar las propiedades del material como el endurecimiento por trabajo o la anisotropía.

 

Los materiales apropiados incluyen aleaciones de aluminio, latón, cobre y aleaciones de cobre, titanio, chapa de acero con bajo contenido de carbono laminado en frío y algunos aceros inoxidables. Las formas ideales para el embutido profundo incluyen rectángulos y estructuras axi-simétricas como cilindros o hemisferios, pero el proceso también puede manejar formas más complejas.

 

Dependiendo de la forma que se esté produciendo, los costos de herramientas y configuración pueden variar ampliamente. Para formas simples, los costos pueden ser más bajos que otros procesos, pero el aumento de la complejidad conlleva mayores costos. En algunos casos, ese costo puede compensarse con el tiempo de inactividad mínimo de la embutición profunda, el bajo mantenimiento y la reducción de los requisitos de mano de obra técnica durante la vida útil del producto.

 

Los factores que pueden aumentar la complejidad incluyen:

  • Presencia y ubicación de operaciones de piezas.

  • Dirección de funciones.

  • Protuberancia de características.

  • Tamaño y proporciones de la pieza, incluido el grosor del material.

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Consideraciones de proceso

 

Cuando llega el momento de diseñar una pieza embutida profunda, se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones:

Proceso

  • Volumen de producción anual

  • Tasas de producción objetivo

  • Precio objetivo Forma y tolerancias de la pieza terminada

  • Formando progresión y número de etapas.

  • Tipo de material y propiedades mecánicas

  • Grado de material, condición de tratamiento térmico

  • Estirado: Relación de deformación plástica y endurecimiento por deformación

  • Anisotropía Tamaño, forma y grosor del espacio en blanco

  • Prensas Estación múltiple o estación única

  • Transferencia o progresiva

  • Acción simple o doble

  • Capacidades de amortiguación

  • Estampación

  • Capacidad de cambio rápido de herramientas

  • Muere de acción simple

  • Matrices de doble acción

  • El compuesto muere

  • Muere progresiva

  • Múltiples matrices con mecanismos de transferencia

Procesos alternativos

En ciertos casos, se pueden utilizar otros procesos para lograr resultados similares. Estos procesos incluyen:

  • Hidroformado: Un proceso avanzado de conformado de láminas y tubos que utiliza presión hidráulica en lugar de un punzón fijo para producir geometrías no adecuadas para embutición profunda, incluidas formas socavadas o abultadas.

  • Hilado: proceso apropiado para algunas piezas simétricas que deforma una pieza en bruto giratoria contra un mandril giratorio concéntrico y perfilado.

Los costos de herramientas suelen ser más bajos que el embutido profundo, pero los tiempos de ciclo son más largos y la configuración puede requerir un programador de máquinas más capacitado.

  • 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.

 

El proceso de embutición profunda

Descripción general

 

En su forma más básica, la embutición profunda utiliza un punzón para forzar una chapa en bruto en la cavidad del troquel para producir una pieza alta, lisa y con los extremos cerrados con el mismo grosor de la hoja que la pieza en bruto. Para estimular el flujo del metal, la entrada de la matriz y la punta del punzón deben estar redondeadas, el diámetro del punzón debe estar dentro de un rango de tamaño aceptable para el material, y las holguras entre el punzón y la matriz deben regularse cuidadosamente. Demasiado espacio libre y la pieza se arrugará. Demasiado poco y la pieza se romperá. Muchas configuraciones de embutido profundo añaden un soporte en blanco y una almohadilla de presión para minimizar los defectos y permitir embutidos más profundos.

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Un soporte en blanco es una placa plana o contorneada con una abertura en su centro para el punzón. Durante el estirado, el soporte de la pieza en bruto aplica presión para mantener la pieza en blanco en contacto con la cara del troquel. Esta presión ayuda a contrarrestar la tendencia de la chapa a arrugarse debido a las tensiones de los aros de compresión que se acumulan alrededor del radio de entrada de la cavidad del troquel. Las fuerzas necesarias del soporte de la pieza en bruto varían con el espesor del material. Las piezas en bruto gruesas, con una relación de espesor a diámetro de 0.03 o más, requieren poca o ninguna fuerza del soporte de la pieza en bruto, mientras que las piezas en bruto delgadas pueden requerir hasta un 30% de la carga de estirado.

 

En algunos casos, también es necesario aplicar fuerza de amortiguación para sujetar la pieza en bruto contra la punta del punzón para evitar que se adelgace o se rasgue. Durante el sorteo, una almohadilla de presión empuja contra el blanco, manteniéndolo en contacto con la punta del punzón. Esto ayuda a contrarrestar la tendencia de la hoja de metal a estirarse o romperse debido a la tensión de tracción donde la pieza en bruto se envuelve alrededor de la punta del punzón. La fuerza de la almohadilla de presión generalmente requiere el uso de una prensa de doble acción con capacidad de amortiguación.

 

Factores de éxito

Un examen completo de todos los parámetros que afectan el embutido profundo está más allá del alcance de este artículo. En su lugar, veremos algunos factores clave: holgura, relación de reducción de estirado, fuerza del punzón y del soporte de la pieza en bruto y defectos comunes.

Autorización

Un embutido profundo sin defectos depende de la separación adecuada del punzón y la matriz. Demasiado poco, y el material se perforará o rasgará en lugar de fluir hacia la cavidad del troquel. Demasiado y la pieza de trabajo se arrugará. En embutición profunda, los valores de holgura tienden a caer entre el 107 y el 115% del espesor de la chapa. Por el contrario, el espacio libre en las operaciones de corte es de alrededor del 3 al 8% del espesor de la hoja.

 

Relación de reducción de dibujo

Forzar una pieza en bruto en una cavidad de matriz reduce el diámetro de la pieza en bruto y genera una tensión de compresión circunferencial a medida que la pieza en bruto se deforma sobre el radio de entrada de la matriz. Cuanto mayor sea la reducción del diámetro, mayor será la tensión. Cuanto mayor sea la tensión, mayor será la resistencia al flujo. Si la resistencia al flujo excede la resistencia a la tracción del blanco, el blanco se estirará o rasgará cerca de la punta del punzón.

 

Para evitar esta situación, el proceso debe diseñarse para reducir el diámetro de la pieza en bruto no más de lo que el material puede tolerar. Esta relación de estirado límite (LDR) varía según el material, el espesor y el número de veces que ya se ha estirado la pieza. Las proporciones de extracción generalmente se incluyen con las especificaciones de la materia prima en una tabla de reducción de extracción. Si la reducción durante una extracción profunda excede este límite, la pieza deberá dibujarse en etapas.

Ejemplo: cálculo del tamaño de la pieza en blanco y el número de extracciones para una copa cilíndrica

 

Para ilustrar este concepto, realizaremos los cálculos básicos para determinar cuántos calados se necesitarían para producir una copa cilíndrica sin bridas de 6 pulgadas de alto con un diámetro de 4 pulgadas.

Una taza con una brida retenida o una forma más compleja requeriría cálculos más complejos, pero los conceptos subyacentes siguen siendo los mismos.

 

Primero, calcule el tamaño del espacio en blanco. Debido a que el espesor de la hoja permanece esencialmente igual durante la embutición profunda, el área de la superficie de la pieza terminada más cualquier material de pestaña residual será igual al área de la superficie de la pieza en bruto. En nuestro ejemplo de una copa cilíndrica sin reborde, podemos calcular el tamaño del blanco requerido con la siguiente fórmula:

 

Donde Rb = Radio del espacio en blanco, Rc = Radio de la taza y H = altura de la taza Para una taza de 6 ″ por 4 ″, este cálculo devuelve un diámetro en blanco de 10,58 ″.

A continuación, calcule la reducción de estirado necesaria para lograr el diámetro de nuestra pieza final. Para hacerlo, divida el diámetro de la pieza por el diámetro de la pieza y reste ese número de 1:

 

Donde Dc = Diámetro de la copa y Db = Diámetro del blanco. La reducción para nuestra taza de ejemplo es aproximadamente del 62%.

Para facilitar el cálculo, asumiremos que el LDR de nuestro espacio en blanco es 2.0 para el primer sorteo, 1.5 para el segundo y 1.25 para el tercero. Estos se traducen en una reducción del 50% para el primer sorteo, 30% para el segundo y 20% para el tercero. Debido a que la copa requiere más del 50% de reducción total, el proceso requerirá más de una etapa.

 

En la primera etapa, el diámetro de la copa se puede reducir en un 50%, lo que da como resultado un diámetro de la pieza intermedia de 5,29 ”. En la segunda etapa, el diámetro de la copa se puede reducir hasta en un 30%. Si se llega a ese límite, la pieza tendrá un diámetro de 3,70 ″. Este diámetro es más pequeño que las 4 ″ especificadas, por lo que la copa se puede extraer de forma segura en 2 etapas.

Consideraciones para múltiples reducciones

 

Se pueden realizar múltiples operaciones de dibujo en prensas de una sola estación y de múltiples estaciones. Si el material en blanco tolera múltiples dibujos sin recocido, entonces una prensa de estaciones múltiples puede ser más rentable que una prensa de una sola estación, ya que permite el uso de flujo de una pieza para completar todas las operaciones de dibujo secuencialmente. Este método minimiza el tiempo de preparación y el manejo de materiales. Por el contrario, con una prensa de una sola estación, el proceso deberá completarse en lotes con tiempo de inactividad para los cambios de herramientas. Si el material requiere un recocido intermedio entre las operaciones de estirado, entonces una prensa de estación única puede ser una buena opción. Fuerza del punzón y del soporte en blanco Para un embutido profundo exitoso, se debe aplicar suficiente fuerza al punzón para deformar la pieza en bruto, iniciar el flujo de metal y superar la fricción. Demasiada poca fuerza y ​​el proceso se detendrá. Demasiada fuerza, o fuerza aplicada incorrectamente, hará que la pieza falle. En muchos casos, se debe usar un soporte de la pieza en bruto para mantener los bordes de la pieza en blanco en su lugar contra la parte superior del troquel mientras el punzón arrastra el material hacia la cavidad del troquel. La resistencia proporcionada por un soporte en blanco también regula el flujo de material hacia la cavidad del troquel, eliminando arrugas u otros defectos. Los soportes en blanco son eficaces para proporciones de espesor-diámetro de 1% o más. Las proporciones entre 0,5% y 1% son marginales. Por debajo del 0,5%, es posible que los soportes en blanco no eviten las arrugas. Al embutir en profundidad una hoja de metal con una relación de espesor del 3% o más, es posible que no se necesite un soporte de pieza en bruto. En cambio, el radio de entrada de la matriz regula el flujo de material.

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