Conformado en caliente de chapa de acero M.D. Riera ( 1,2 ), R. Hernández ( 1,2 ), J.M. Prado ( 1,2 ) RESUMEN: La introducción en la industria del automóvil de nuevos aceros de alta resistencia, ha permitido la disminución del peso estructural aumentando la resistencia a impacto de los vehículos. Sin embargo, las dificultades encontradas en la conformación de estos aceros desgaste y rotura de matrices, springback elevado- han forzado la búsqueda de nuevos procesos de conformado, tales como el hydroforming y, más recientemente, la estampación en caliente de chapa de acero microaleado con Boro. En este trabajo se presenta la problemática termomecánica de este nuevo proceso, haciendo especial hincapié en la importancia que tiene su simulación por ordenador para una definición correcta de los parámetros del proceso. ABSTRACT: The introduction of the new structural high resistance steels in the automobile industry has enabled the decrease of the car weight while increasing the crash resistance of the structure. However, the difficulties found in forming these high resistance steels wear and fracture of dies, high springbackhave forced the search of new forming processes, such as hydroforming and, more recently, the hot forming of microalloyed with boron sheet steel. In this work the thermomechanical problems involved in this new process are presented, emphasizing the importance of computer simulation in order to have a correct definition of the process parameters. 1.Introducción La estampación en caliente de chapa es un proceso termomecánico cuyo objetivo es producir, en una sola operación, un producto plano con la geometría y la estructura metalúrgica deseadas. En el automóvil, algunos componentes estructurales requieren alta resistencia mecánica y se fabrican con acero microaleado con Boro; el enfriamiento rápido durante su conformado le confiere la estructura martensítica que asegura su adecuado comportamiento en servicio. Un ejemplo de sistema de conformado de chapa podría ser el esquematizado en la Fig. 1, en la que se presenta la pieza final y el conjunto formato-herramientas en una simplificación bidimensional que supone deformación plana. Fig. 1.- Esquema de un sistema para la estampación en caliente de chapa metálica. A la izquierda, la pieza a fabricar; a la derecha, formato de partida y herramientas. En el proceso, el formato llega a la estación conformadora a unos 800ºC; el contacto con matriz y punzón, inicialmente a temperatura ambiente, debe enfriar la chapa metálica a, como mínimo, la velocidad crítica de temple, teniendo en cuenta que, para un acero del tipo USIBOR 1500 [1], el ciclo termomecánico a aplicar es el de la Fig. 2. ( 1) CTM Centre Tecnològic, Manresa (Barcelona), España. ( 2 ) Departamento de Ciencia de Materiales e Ingeniería Metalúrgica, Universidad Politécnica de Cataluña. md.riera@upc.edu, ricardo.hernandez@ctm.com.es, jm.prado@upc.edu.
T, ºC Enfriamiento durante el traslado de la chapa desde el horno hasta las herramientas de conformar Temperatura 900 15 ºC/s Conformado en caliente (700-800ºC) a alta velocidad ( 0.5-1 s -1?). Enfriamiento de la chapa entre las herramientas a más de 27ºC/s tiempo Tiempo Fig. 2.- A la izquierda de la figura, curvas CCT para el USIBOR 1500 [1]; a la derecha, características del proceso termomecánico adecuado al acero aquí considerado. Sin embargo, esto sólo es posible si se asegura la transferencia de calor adecuada entre chapa y herramientas; la calidad de este contacto es un parámetro fundamental en el proceso, aunque no el único. La conductividad térmica del material de la matriz y del punzón y su temperatura son otras variables básicas, ya que también de ellas depende la extracción de calor de la chapa. En este sentido, se han desarrollado muy recientemente nuevos aceros de alta conductividad térmica [2], que permiten reducir considerablemente el tiempo de proceso. La temperatura de la matriz y del punzón está muy condicionada, además, por la eficacia del sistema de refrigeración. Es éste un aspecto de gran relevancia en el diseño del proceso óptimo, ya que a mayor temperatura, mayor es el desgaste de las herramientas y mayor es, también, la posibilidad de adherencias entre la chapa y matriz y punzón, que reducen de forma notable la calidad del contacto y, por lo tanto, limitan localmente la transferencia de calor; el resultado es, además de la reducción de la vida de las herramientas, una velocidad de enfriamiento en la chapa inferior a la necesaria para la obtención de la estructura de temple. En la Fig. 3 se indican algunos de los aspectos que controlan la calidad de la pieza fabricada. Temperatura inicial (inicio deformación) herramientas Presión de pisado Contactos térmico y mecánico Temperatura inicial chapa (800ºC) Materiales Diseño y temperatura circuitos refrigeración Fig. 3.- Variables que controlan la velocidad de enfriamiento de la chapa. Son, pues, diversas las variables a tener en cuenta en el control del conformado. Es éste el motivo que hace especialmente interesante el empleo de herramientas de cálculo numérico en la puesta a punto de operaciones de deformación plástica en caliente. En este trabajo, además de plantear la problemática de una forma general, se presenta, mediante un ejemplo simple, la estrategia a seguir en la simulación del conformado en caliente de chapa metálica. 2. Simulación de la estampación en caliente de chapa metálica Toda simulación debe reflejar lo más fielmente posible el fenómeno que analiza; sin embargo, en algunas ocasiones esto comporta muy largos tiempos de cálculo que han deseables soluciones más eficaces. Es éste el caso en el conformado en caliente de largas series de piezas, en que la temperatura de las herramientas va aumentando por transferencia de calor desde, en este caso, la chapa. Aquí se ha optado por estudiar el conformado mediante dos cálculos independientes; el primero tiene sólo en cuenta el aspecto térmico de la estampación en caliente y su objetivo es determinar la evolución de la distribución de temperaturas en las herramientas durante la fabricación progresiva de piezas. El segundo cálculo es termomecánico y en él se estudia la deformación a alta temperatura de la chapa.
2.1. Cálculo térmico del conformado en caliente Se ha llevado a cabo un cálculo de transferencia de calor, con el programa comercial de cálculo mediante el método de los elementos finitos ABAQUS (Simulia), para el ejemplo presentado en las Figs. 1 y 2, y para los tiempos de proceso indicados en el esquema de la Fig. 4. Los materiales considerados han sido USIBOR 1500 para la chapa y un acero de herramientas para trabajo en caliente convencional para los útiles. Se ha supuesto que el fluido del sistema de refrigeración está constantemente a 24ºC. El primer resultado de interés es que la temperatura en diversos puntos de las herramientas evoluciona tal como se indica en la Fig. 5. 1ª fase: prensa cerrada 8 s (estampación y enfriamiento de la pieza conformada) 2ª fase: apertura de prensa 14 s (apertura prensa, extracción pieza conformada, colocación nueva preforma) Fig. 4.- Fases y tiempos del proceso analizado. Fig. 5.- Evolución de la temperatura en las herramientas de conformado. En abcisas, figura una escala de tiempo que debe interpretarse como número de piezas fabricadas. Según el esquema de la Fig. 4, se produce una pieza cada 22 s. Así, las distintas herramientas aumentan su temperatura con cada pieza fabricada, hasta que se alcanza un estado térmicamente estable. La distribución de temperatura en este estado, es la que se considera en este trabajo para el cálculo termomecánico, que analiza la deformación en caliente de la chapa. En la Fig. 6 se presenta la distribución de temperaturas en todos los elementos del sistema de conformado en el estado térmicamente estable.
Fig. 6.- Distribución de temperaturas, en ºC, en el estado estable (para el caso aquí estudiado, al final del conformado de la pieza nº 40). La suposición de que el fluido se mantiene a temperatura constante durante el funcionamiento continuado del equipo puede no ser suficientemente precisa. Un estudio completo del sistema de deformación de chapa en caliente, debe incluir el diseño del circuito de refrigeración adecuado y su capacidad para extraer calor; para ello, debe procederse a un análisis, mediante fluido-dinámica, de la evolución de la temperatura en el fluido refrigerante durante la estampación y la determinación del coeficiente de transferencia de calor que se establece en el circuito y su evolución. En este trabajo, no obstante, no se presentan estos resultados, sino que, tal como se ha indicado anteriormente, se supone que el fluido de refrigeración está siempre a una temperatura de referencia. 2.2. Cálculo termomecánico de deformación de la chapa Una vez determinada la distribución de temperaturas en estado estable en las herramientas de conformar, se puede proceder a la simulación numérica del conformado de la chapa representativa. El cálculo, acoplado termomecánico, incorpora el comportamiento mecánico real del material de la chapa, obtenido experimentalmente y que se representa en la Fig. 7. 250 Velocidad de deformación= 0.01 s -1 Tensión, MPa 200 150 100 50 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Deformación 1050 ºC 1000 ºC 950 ºC 900 ºC 850 ºC 800 ºC 750 ºC 700 ºC 650 ºC 600 ºC Fig. 7.- Comportamiento mecánico dependiente de la temperatura y de la velocidad de deformación para el acero USIBOR 1500 [3]. Curvas tensión-deformación a distintas temperaturas, para una velocidad de deformación de 0.01 s -1. La Fig. 8 corresponde a la situación al inicio de la conformación; se representa la distribución de la temperatura y la colocación relativa de cada uno de los elementos del sistema de conformado.
Fig. 8.- Distribución de temperaturas (ºC) al inicio del conformado de la pieza representativa. Las herramientas están en el estado térmicamente estable; la chapa, a 800ºC. Para la simulación de la deformación de la chapa, se aplica al pisador la presión precisa para la deformación del formato. La matriz se supone anclada en su base y se impone el desplazamiento adecuado al punzón para obligar a la chapa a adoptar la forma que imponen las herramientas. Tras el tiempo de mantenimiento del contacto pieza-útiles, la distribución de temperatura en el conjunto es el ya mostrado en la Fig. 6. En las Figs. 9 a 12 se presentan los resultados detallados para la pieza y las herramientas individuales. Fig. 9.- Distribución de temperaturas (ºC) en la pieza al final de su conformado. Los datos de temperatura de los diversos componentes del sistema y su evolución, son imprescindibles para el control del proceso: el conocimiento de la temperatura en la superficie de las herramientas permite el correcto diseño de los ensayos de caracterización tribológica; la evolución de la temperatura de la chapa da su velocidad de enfriamiento, aspecto fundamental en el control de la calidad de la pieza producida. La distribución de la tensión equivalente en las herramientas es la representada en la Fig. 13.
Fig. 10.- Distribución de temperaturas (ºC) al final del conformado de la pieza representativa en la matriz. Fig. 11.- Distribución de temperaturas (ºC) en el punzón al final del conformado de la pieza representativa. Fig. 12.- Distribución de temperaturas (ºC) en ambos lados del pisador al final del conformado de la pieza representativa.
Fig. 13.- Distribución de la tensión equivalente en las herramientas bajo la carga de conformado. Los valores numéricos de la leyenda vienen dados en megapascal (MPa). Un resultado fundamental para el análisis del conformado de chapa es el estudio de la deformación de la pieza. Así, en la Fig. 14 se representa la distribución de la deformación plástica equivalente al final de la operación. Fig. 14.- Distribución de la deformación plástica equivalente en la pieza conformada. En la Fig. 15 puede observarse un detalle que muestra un adelgazamiento localizado de la chapa. Fig. 15.- Adelgazamiento de la chapa durante su conformado.
3. Referencias [1] M. Merklein, J. Lechler. Investigation of the thermo-mechanical properties of hot stamping steels. Journal of Materials Processing Technology, 177 (2006) 452 455. [2] I. Valls. Drastically improving Die Casting Dies performance: tackling the Problem from the Thermoelastic side. 111 Metalcasting Congress. Houston, EEUU (2007). [3] J.M. Cabrera, A. Al Omar, J.J. Jonas, J.M. Prado. Modeling the flow behavior of a medium carbon microalloyed steel under hot working conditions. Metallurgical and Materials Transactions A, Vol. 28, Nº 11 (1997) 2233-2244. 4. Conclusiones La estampación en caliente de chapa metálica es un proceso controlado por numerosas variables cuyos parámetros son, a menudo, de difícil determinación. Los coeficientes de transferencia de calor entre chapa y herramientas y el que se desarrolla entre herramientas y sistema de refrigeración, por ejemplo, requieren arduos esfuerzos experimentales y de cálculo. La simulación numérica, aunque con limitaciones, resulta de gran ayuda en el diseño y control de este tipo de operaciones de conformado. Agradecimientos Este trabajo es parte de last areas llevadas a cabo por los autores en el proyecto FORMA0, financiado por CDTI en el marco del programa CENIT.