La fabricación de componentes metálicos mediante procesos de conformado ha sido una columna vertebral en la industria manufacturera durante décadas. En este ámbito, la prensa de embutido se destaca como una herramienta esencial para la creación de piezas metálicas de alta precisión y complejidad.
¿Qué es la Embutición Profunda?
La embutición es un proceso de conformado plástico para chapa metálica. Esta operación consiste en transformar una chapa metálica plana en una pieza tridimensional. El embutido es una operación de formado de laminas metálicas que se usa para hacer piezas de forma acopada, de caja y otras formas huecas mas complejas.
La embutición profunda del metal, o Deep drawing, es el proceso de estirar dicho material para obtener una forma cóncaba y pronunciada por medio del diseño de utillaje. La embutición del metal es frecuentemente empleado para piezas y productos que necesitan tener más profundidad que un estampado de metal común, como elementos tridimensionales o partes abiertas cóncavas. Es uno de los procesos más generalmente utilizados en el conformado de chapa.
La embutición profunda es uno de los procesos de conformado por tensión-compresión, ya que, a diferencia del embutido puro o estirado, también existen tensiones locales de tracción y compresión en la pieza de trabajo (por ejemplo, el pliegue en la copa). En general, se forma un cuerpo hueco a partir de una pieza en blanco de chapa en cada caso.
El Proceso de Embutición
Para llevar a cabo la embutición se utiliza un conjunto de punzón y matriz. Dicho punzón tiene la forma deseada de la base de la pieza a conformar. La cavidad de la matriz coincide con la forma del punzón, siendo está un poco más ancha para permitir su paso y el del material dejando una holgura. La pieza de chapa en bruto se sujeta bajo presión sobre el orificio de la matriz. El punzón es empujado hacia la chapa, forzando a ésta última a obtener la forma de la cavidad de la matriz. En la embutición de una pieza se parte de una porción de chapa que descansa sobre la matriz, mientras el pisador la mantiene sobre esta y el punzón ejerce la presión necesaria para conformar la pieza provocando la fluencia del material a través de la cavidad abierta en la matriz.
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Normalmente, algunas piezas simples pueden ser producidas a partir de un solo paso de embutición. Sin embargo, se necesitarán más pasos/procesos si hay partes más complejas o con más profundidad. Por lo general, el proceso de embutición profunda incluye: corte/laminado, embutición inicial, embutición secundaria y re-embutición. Embutición inicial: se utiliza una placa para fijar y compactar la lámina plana. A mayores, dependerá del diseño para ver si es necesario añadir perforaciones, muescas o levas. Muescas o perforación de levas: similar a la perforación de agujeros centrales, la perforación de levas se puede realizar en las paredes laterales de los productos/piezas de acuerdo con las necesidades y los diseños del cliente.
Relación de Embutición y Límites
La relación de embutición profunda para copas se calcula dividiendo el diámetro d₀ de la pieza en blanco redonda por el diámetro dₛ del punzón. β = d₀ ÷ dₛ.
Dado que la fuerza de embutición máxima aumenta a medida que la relación de embutición aumenta, se obtiene una relación límite de embutición para un único embutido, por encima de la cual ocurre un fallo debido a la ruptura en el fondo.
Para la mayoría de los metales, este límite es β = 2.0 en el primer embutido, y β = 1.6 en el segundo embutido. Por lo tanto, profundidades de conformado mayores solo se pueden alcanzar mediante varios embutidos con posibles recocidos de ablandamiento intercalados.
La relación total de embutición se obtiene multiplicando los pasos individuales: βges = β₁ × β₂ × ... × βₙ = (d₀/d₁) × (d₁ ÷ d₂) × ... × (dₙ₋₁ ÷ dₙ) donde βges = d₀ ÷ dₙ ≤ 6.5. Este valor ha demostrado ser el límite superior en la práctica.
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| Paso de Embutición | Relación β Límite (para la mayoría de los metales) |
|---|---|
| Primer Embutido | 2.0 |
| Segundo Embutido | 1.6 |
| Relación Total (βges) | ≤ 6.5 |
Propiedades del Material y Ensayos
Durante la embutición profunda, la pieza de trabajo muestra diversos efectos. Esencialmente, las moléculas se desplazan unas contra otras, lo que lleva a cambios en la resistencia y propiedades de material no homogéneas (dependientes de la dirección) (anisotropía).
Anisotropía (Valor rrr)
Para determinar la anisotropía de las propiedades plásticas de la chapa metálica, se determina la anisotropía perpendicular, el llamado valor rrr, en la prueba de tracción. Se define como la relación de los grados de deformación en la dirección de ancho y espesor de la muestra. Para r = 1, el material se comporta de manera isotrópica y ocurre una deformación igual en la dirección de ancho y espesor. r > 1 (r < 1) ocurre cuando la chapa cambia su ancho (espesor) más que su espesor (ancho) bajo esfuerzo de tracción. Dado que generalmente se desea un cambio de forma sin disminución del espesor de la chapa, se consideran ventajosos los valores r > 1. Debido a la carga multi-axial durante la embutición profunda, la experiencia ha demostrado que promediar los valores rrr de diferentes direcciones con respecto a la dirección de laminado es útil.
Endurecimiento por Deformación (Exponente nnn)
El exponente de endurecimiento por deformación nnn describe el endurecimiento por deformación de un material durante el conformado. Si se traza la curva de flujo de un material como una curva logarítmica doble, el resultado es una línea recta con una pendiente de n. El exponente de endurecimiento es el valor máximo del valor n.
Pruebas de Embutición
Cabe señalar que en la práctica, debido a la diversidad de geometrías prevalente, no es posible hacer una predicción general sobre la adecuación para embutición profunda utilizando un único método de prueba. La prueba de embutición profunda es un método de prueba de chapas metálicas en el que se troquela un disco circular (pieza en blanco redonda) de una tira de chapa metálica y luego se forma en una copa mediante un troquel de embutición. Los picos en la copa embutida profunda resultantes del comportamiento de flujo del material son indeseables, ya que en la práctica requieren un trabajo adicional innecesario en las piezas formadas.
Los factores que influyen en el resultado son la textura de la hoja y el proceso de embutición. La determinación detallada de parámetros permite sacar conclusiones sobre el desgaste de las herramientas y la calidad del material de embutición procesado.
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Aceros de Alta Resistencia
Prueba de embutición profunda para aceros de alta resistencia y ultra alta resistencia. En el pasado, a menudo se producían defectos en la herramienta al realizar la prueba de tracción en copa para aceros de alta resistencia y ultra alta resistencia, debido a un efecto de aceleración al final del proceso de embutición. Al cambiar la geometría del anillo de corte, se reduce la fuerza de embutición necesaria y se reduce la aceleración dinámica del punzón de corte durante el proceso de embutición.
Los aceros de alta resistencia muestran en su comportamiento de conformado que los radios de embutición de los troqueles ya no cumplen con las especificaciones de los aceros como DC04. Los radios mayores se adaptan especialmente a materiales de alta resistencia y menor ductilidad.
Herramientas y Recubrimientos
Recubrir las herramientas de corte/embutición con TiCN aumenta muchas veces su vida útil. La holgura de corte del punzón se incrementa aproximadamente un 2-3 % según el espesor de la chapa. Los troqueles de embutición recubiertos con nitruro de titanio tienen una mayor vida útil debido a su superficie especial. La fricción reducida debido al recubrimiento se puede ver en la altura de las copas embutidas. La copa A se embutió con un troquel convencional y la copa B con un troquel recubierto con TiN fabricado en acero para herramientas 1.2379.
Equipo de Medición
El equipo de medición de cuñas, modelo 126 Plus, se utiliza para la medición axial de copas de embutición profundas y latas brutas. Las normas típicas son DIN EN 1669 y ISO 11531. Este equipo está compuesto por una mesa giratoria, un mandril y un cabezal medidor vertical (con rodillo medidor y palpador de longitudes). Un mandril fija y centra la copa. El cabezal medidor se puede ajustar a diversos diámetros y alturas del objeto de ensayo. El operador inicia el proceso de medición ya sea desde un PC o desde la máquina. El rodillo de prueba, activado neumáticamente, baja hacia la muestra y la mesa giratoria gira una vez. Después de completarse la medición, la cabezal de medición se mueve a la posición de inicio y permite un rápido cambio de muestra. El operador lee los valores medidos en la pantalla y puede archivarlos como un archivo. Los formatos de salida son .pdf y .txt. El archivo .txt se puede importar a MS Excel.
Prensas de Embutición: Tipos y Funcionamiento
Para llevar a cabo este proceso industrial son necesarias prensas hidráulicas o mecánicas. La prensa de embutido es un tipo específico de prensa industrial diseñada para el conformado de metales. A través del proceso de embutición, estos equipos utilizan una combinación de fuerza y precisión para transformar láminas metálicas en piezas de formas específicas.
Las operaciones de embutición se pueden clasificar en dos categorías principales, mecánicas e hidráulicas, las cuales atienden diferentes necesidades.
Prensas Mecánicas
En el corazón de una prensa mecánica se encuentra el mecanismo de manivela, una invención que ha sido la piedra angular de la ingeniería mecánica durante siglos. Este mecanismo convierte el movimiento rotativo generado por el motor de la prensa en un movimiento lineal preciso, que se dirige hacia arriba y hacia abajo. Al hacerlo, transmite una fuerza considerable sobre la lámina de metal colocada entre el troquel y la matriz. Este proceso de transformación es rápido y eficiente, lo que hace a las prensas mecánicas particularmente adecuadas para operaciones que requieren altos volúmenes de producción y una velocidad de ciclado notable.
- Son preferidas para la producción a alta velocidad debido a su eficiencia en ciclos rápidos.
Prensas Hidráulicas
Las prensas hidráulicas operan bajo un principio completamente diferente. En lugar de mecanismos de manivela y movimiento rotativo, estas prensas utilizan la potencia de los fluidos bajo presión para generar movimiento y fuerza. A través de un sistema de bombas y válvulas, un fluido hidráulico es forzado hacia un cilindro, moviendo un pistón hacia adelante y hacia atrás. Este movimiento del pistón es lo que aplica la fuerza sobre el metal, permitiendo la embutición del material. La gran ventaja de las prensas hidráulicas reside en su capacidad para aplicar fuerzas de forma muy controlada y sostenida, lo que es crucial para procesos como la embutición profunda. En la embutición profunda, las formas finales de las piezas pueden ser drásticamente diferentes de la lámina metálica original, requiriendo un control exquisito de la fuerza para evitar daños en el material.
- Son valoradas por su capacidad de aplicar fuerzas de manera más controlada y uniforme, lo que es crucial para la embutición profunda de piezas complejas.
Tanto las prensas mecánicas como las hidráulicas juegan roles insustituibles en la industria del embutido, cada una con sus propias fortalezas y aplicaciones preferidas. Mientras las mecánicas dominan en la producción de alta velocidad y grandes volúmenes, las hidráulicas ofrecen una precisión y versatilidad incomparables para piezas complejas y embutición profunda.
Ventajas y Aplicaciones de la Embutición Profunda
Este proceso permite obtener piezas de formas muy diversas y es una técnica de gran aplicación en todos los campos de la industria. Las implementaciones de la embutición profunda del metal no solo son cilíndricas o en partes en forma de copa, sino que podemos consguir formas cónicas, rectangulares, esféricas, cúbicas, con forma escalonada u otras formas irregulares. Combinado con otros procesos de estampado del metal, la embutición profunda del metal puede posibilitar formas más complejas.
El embutido tiene un gran volumen de producción y una buena precisión dimensional.
Beneficios Clave
- Alta eficiencia en producción: En comparación con el uso de otros procesos, como el mecanizado CNC para producir piezas cilíndricas, el uso de la embutición profunda de metales para mecanizar y automatizar el proceso puede reducir las horas de trabajo y mejorar en gran medida la eficiencia de la producción.
- Bajo costo:
- La tasa de desperdicio del proceso de embutición de metal es de 30%~40%, que es mucho menor en comparación con el estampado de metal (40%~70%).
- En comparación con el proceso de mecanizado CNC, las piezas fabricadas mediante un proceso de embutición profunda del metal con herramientas dedicadas podrían reducir los costos de mano de obra.
- Estabilidad y Calidad de las Piezas: En comparación con las piezas fabricadas manualmente, las piezas fabricadas mediante un proceso de embutición profunda de metales pueden reducir los posibles errores humanos y controlar la calidad y la estabilidad de las piezas de manera eficiente. Formar piezas mediante el proceso de embutición profunda puede controlar de manera efectiva el grosor de la pared y producir piezas en forma de copa de alta calidad, especialmente las piezas que necesitan tener una resistencia significativa, un tamaño pequeño y peso ligero. Además, la dureza del material se puede modificar durante el calandrado y el proceso de embutición profunda, lo que aumentará la resistencia de las piezas.
Tanto el dibujo de metal como el estampado de metal son técnicas de conformado en frío que utilizan la fuerza de punzonado de una máquina de estampado para cortar el material en la forma deseada. En esta industria, el proceso de la embutición profunda del metal es menos común que la tecnología del estampado del metal.
Materiales Utilizados
Para este proceso los materiales deben ser dúctiles, maleables, con un bajo limite elástico y suficiente plasticidad para obtener la pieza deseada sin fracturas. No todos los materiales metálicos pueden ser empleados en la técnica de la embutición profunda del metal.
Una variedad de metales se pueden procesar mediante una prensa de embutido, incluyendo, pero no limitándose a:
- Acero
- Acero inoxidable
- Aluminio
- Aleación
- Bronce
- Cobre
- Latón
- Níquel
La selección del metal depende de factores como la ductilidad, la resistencia al desgaste y la resistencia a la corrosión, ajustándose a los requisitos específicos de la aplicación final de la pieza fabricada.
Aplicaciones Industriales
Este proceso es utilizado especialmente en la industria del automóvil y para fabricar recipientes de todo tipo. En la práctica, muchos procesos, especialmente en la producción de geometrías complejas como las piezas de carrocería de automóviles, consisten en una combinación de métodos.
El proceso de embutición encuentra aplicaciones en numerosas industrias, destacándose en la fabricación de automóviles, en la industria aeroespacial, y en la producción de electrodomésticos, entre otras.
- Industria Automotriz: En el sector automotriz, la embutición se utiliza para fabricar numerosas piezas, desde paneles de carrocería hasta componentes estructurales y decorativos internos. La embutición permite la producción en masa de piezas con tolerancias ajustadas, lo que es esencial para la integridad estructural de los vehículos y la uniformidad en la producción.
- Industria Aeroespacial: La industria aeroespacial valora la embutición por su capacidad para crear componentes ligeros y resistentes, factores críticos en la construcción de aeronaves y equipamiento espacial. En este sector, la precisión es vital, ya que la menor variación en el peso o la forma de una pieza puede tener grandes implicaciones en el rendimiento y la seguridad.
- Electrodomésticos: En la fabricación de electrodomésticos y utensilios de cocina, la embutición es fundamental para producir piezas que no solo sean funcionales sino también estéticamente agradables. Desde la carcasa de acero inoxidable de un refrigerador hasta un fregadero de cocina embutido, este proceso permite crear superficies suaves y formas ergonómicas.
- Otras Aplicaciones: Más allá de estos sectores, la embutición se aplica en la producción de componentes electrónicos, envases metálicos, y una variedad de herramientas y maquinaria.
Consideraciones Técnicas Cruciales
Para garantizar el éxito en el uso de prensas de embutido, hay una serie de cuestiones técnicas fundamentales que los operadores y diseñadores deben tener en cuenta. Estas consideraciones no solo afectan la calidad del producto final, sino que también tienen un impacto significativo en la eficiencia y economía del proceso de producción.
El grosor del material de las piezas de obtenidas a partir de la embutición profunda del metal: el grosor de la pared cambiará, en consecuencia, durante el proceso de embutición, por lo tanto, la capacitación técnica de los ingenieros y la habilidad de cálculo es muy importante para el proceso de clave de la embutición profunda del metal. Suficiente capacitación técnica y conocimiento del material de los ingenieros: los ingenieros deben evaluar la ductilidad del material, el ratio de de extensión y los posibles cambios en el grosor del material durante el proceso de embutición profunda del metal según el diseño y las solicitudes de los clientes. Para convertirse en un experto de la embutición profunda, los ingenieros requieren tener la oportunidad de fabricar piezas utilizando dicha tecnología, aprender a hacerlo y ganar mucha experiencia.
La dimensión y geometría de la chapa inicial se debe calcular en función del diseño de la pieza final a embutir por lo cual la idea de partida general es que la superficie de chapa inicial corresponderá al desarrollo de la pieza final embutida. Cuando se trabaja con un material de espesor delgado, o bien cuando se realiza el embutido profundo de mayor diámetro, los productos pueden salir con arrugas en la pared y no servirán para nada.
En el pasado, muchas partes se fabricaban mediante un proceso de torneado que tiene un alto costo de procesamiento y genera más desperdicio de material.
Selección del Material
La selección de un material que se ajuste a las especificaciones de la pieza a producir y que pueda soportar el estrés del proceso de embutición es esencial. El grosor del material también juega un papel importante, ya que determina la resistencia del material a ser formado y la fuerza requerida por la prensa.
Diseño del Troquel
Un troquel adecuadamente diseñado puede minimizar el desperdicio de material y optimizar el tiempo de producción. Debe tenerse en cuenta la geometría de la pieza final, incluyendo curvas, ángulos y profundidad de embutición, para diseñar un troquel que pueda producir la pieza con la mayor precisión posible.
Lubricación
Una lubricación adecuada entre el material y el troquel es esencial para reducir la fricción durante el proceso de embutición. La fricción excesiva puede conducir a desgaste prematuro del troquel, daños en el material y fallas en la producción.
Control de la Velocidad y Presión
El control preciso de la velocidad y presión de la prensa es fundamental para la calidad del proceso de embutición. Una velocidad o presión inadecuadas pueden resultar en defectos como arrugas, desgarros o deformaciones en la pieza fabricada. Las prensas modernas permiten un ajuste fino de estos parámetros.
Monitoreo y Mantenimiento
El monitoreo constante del proceso y un mantenimiento preventivo de la prensa y el troquel aseguran la continuidad en la producción de alta calidad. La detección temprana de irregularidades puede evitar paradas no planificadas y costosos daños al equipo.
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