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Mar 09, 2023

Detección del inicio de excoriación en el estampado de aleaciones de aluminio, Parte II

FIGURA 1. El área roja a la derecha es el área de depósito en un inserto D2 desnudo

FIGURA 1. El área roja a la derecha es el área de depósito en un inserto D2 desnudo probado con lubricante 61AUS. El perfil de ese depósito se muestra a la izquierda.

Nota del editor: Investigadores del Centro de Fabricación y Materiales Avanzados de la Universidad de Oakland (CAMM) realizaron recientemente un estudio para determinar qué combinación de material de troquel, tratamiento de superficie de troquel y lubricante era la más favorable para prevenir la excoriación al estampar piezas estructurales de aluminio. Esta investigación se presenta en tres partes. La Parte I informó los resultados para los materiales de matriz D6510 y S0050A sin tratamientos superficiales. La Parte III discutirá los resultados de los insertos D6510 y S0050A nitrurados y cromados duros.

El objetivo de los investigadores era determinar el inicio de la excoriación de insertos D2 desnudos y recubiertos con carbono tipo diamante (DLC) (Cr + CrN + aC:H:W + aC:H) en contacto con láminas de aluminio 5754 de 2,5 mm de espesor y para cuantificar la influencia de la lubricación, la fuerza de contacto y la rugosidad inicial de la superficie del troquel. El diseño de la herramienta se describe en detalle en "Medición de fricción para estampación de UHSS". La metodología experimental fue la misma que en la Parte I.

Los investigadores examinaron los insertos y tomaron medidas del perfil del área de excoriación utilizando un perfilómetro Bruker. La Figura 1 muestra los insertos D2 desnudos cuando se determinó la excoriación para el lubricante 61AUS, así como el perfil del depósito que se muestra en el lado izquierdo. El área roja en el perfil es el área del depósito.

La fuerza de tracción en esta configuración de prueba caracterizó las fuerzas de fricción aplicadas desde ambos lados de la hoja tirada entre dos insertos planos sujetos con el simulador de cordón de estirado. El coeficiente de fricción (COF) se calculó como una relación entre la fuerza de tracción y el doble de la fuerza de sujeción que representan dos superficies de fricción. La fuerza de sujeción fue un valor constante durante la prueba, ya que fue impulsada por la presión en el cilindro hidráulico del simulador de cordón de tracción. Por lo tanto, la curva COF frente al desplazamiento deslizante fue proporcional a la fuerza de tracción y proporcionó el valor COF experimental, que se puede aplicar para la simulación numérica como un beneficio adicional de este estudio.

En la Figura 2 se presenta la curva COF para una fuerza de sujeción de 55 kN con inserto D2 desnudo lubricado con aceite de molino 61AUS. Esta curva fue una de las formas posibles de determinar la excoriación en los insertos. El aumento de COF proporcional a la fuerza de tracción es el signo del inicio de la excoriación. Este aumento puede interpretarse como una resistencia adicional del área local donde se suelda una partícula a la superficie de la matriz. Esta partícula creó una resistencia local pero bastante significativa al flujo de material a lo largo de la superficie del inserto al hacer una muesca local en la superficie de la hoja, lo que dejó un rasguño en la superficie de la tira probada paralela a la dirección de extracción. Se observó un ligero aumento de la curva con una fuerza de sujeción de 50 kN que correspondía a 28 MPa de presión de contacto promedio e indicaba el inicio de la excoriación. Se observó un aumento más evidente del COF con un mayor aumento de la fuerza de sujeción.

Los rayones en la muestra de D2 desnudo con lubricante 61AUS se ilustran en la Figura 3.

Las pruebas de D2 con recubrimiento DLC con ambos lubricantes no mostraron excoriación y COF bajo. Para las pruebas con 61AUS a una fuerza de sujeción de 100 kN, la fuerza de tracción máxima (15,8 kN) excedió el límite de elasticidad del material de la hoja (14,5 kN) medido experimentalmente en base a la prueba de tracción de las tiras probadas. No se observó excoriación en los insertos.

Para las pruebas de plaquitas D2 recubiertas con DLC utilizando lubricante DC2-90, la fuerza de sujeción se incrementó hasta 200 kN, que es la fuerza máxima posible proporcionada por la bomba hidráulica. No se observó excoriación en los insertos, aunque el COF aumentó para fuerzas más altas.

La única condición en la que se observó excoriación para el acero D2 revestido con DLC fue la condición seca sin lubricante. El inserto D2 con recubrimiento de DLC se muestra después de este experimento en la Figura 4. El perfil del depósito se muestra a la derecha y el área roja en el perfil es el área del depósito.

La Figura 5 resume el nivel de umbral de excoriación por presión de contacto promedio correlacionado con la rugosidad de los insertos antes de la prueba, que era de 358 nm para los insertos D2 desnudos y de 71 nm para el acero para herramientas D2 recubierto con DLC. Para los insertos D2 desnudos con 50 mg/pie2 de 61AUS, la excoriación comenzó a 28 MPa de presión de contacto promedio; para los insertos D2 desnudos con DC2-90, la excoriación comenzó a 51 MPa de presión de contacto promedio; y para la condición seca, partió de 7 MPa de presión de contacto promedio. Para D2 recubierto con DLC con 50 mg/ft2 de lubricantes 61AUS y DC2-90, no se observó excoriación en todo el rango de presiones de contacto. Para la condición seca, la excoriación comenzó a 11 MPa de presión de contacto promedio. Esto indica que tener un revestimiento DLC en la base D2 y tenerlo muy bien pulido proporciona una resistencia superior contra la excoriación.

Este proyecto de investigación fue financiado en parte por el Consejo de Investigación Automotriz de los Estados Unidos con contribuciones de Novelis Corp., que proporcionó una bobina de aleación de aluminio 5754; Ionbond LLC, que realizó recubrimientos de insertos probados; y Quaker-Houghton, que proporcionó lubricantes y recomendaciones técnicas para su aplicación.