Holgura, radios y fuerza en la embutición profunda
Una pieza embutida se logra o se pierde por tres números. La holgura entre punzón y matriz, el radio en la abertura de la matriz y la cantidad de metal que aporta el blanco. Esta página reúne las tablas de origen de esos números, las fórmulas del diámetro del blanco y los límites de fuerza y reducción que determinan cuántas embuticiones necesita una pieza.
Holgura de embutición como múltiplo del espesor del blanco
La holgura es el espacio entre punzón y matriz, expresado como múltiplo del espesor del blanco y leído por separado para primeras embuticiones, reembuticiones y embuticiones de calibrado.
| Espesor del blanco, in. (mm) | Primeras embuticiones | Reembuticiones | Embutición de calibrado |
|---|---|---|---|
| Hasta .015 (0.38) | 1.07t a 1.09t | 1.08t a 1.1t | 1.04t a 1.05t |
| .016 a .050 (0.41 a 1.27) | 1.08t a 1.1t | 1.09t a 1.12t | 1.05t a 1.06t |
| .051 a .125 (1.30 a 3.18) | 1.1t a 1.12t | 1.12t a 1.14t | 1.07t a 1.09t |
| .136 (3.45) y más | 1.12t a 1.14t | 1.15t a 1.2t | 1.08t a 1.1t |
Fuente: Fundamentals of Tool Design, 6.ª edición (Society of Manufacturing Engineers, 2010), Capítulo 8, Tabla 8-3. Los valores son el espacio entre punzón y matriz expresado en múltiplos de t, el espesor del blanco original.
- En el ejemplo de la fuente, un blanco de .125 in. (3.18 mm) toma una holgura de embutición de .138 a .140 in. (3.50 a 3.56 mm), que es la fila de 1.1t a 1.12t leída contra el espesor de trabajo.
- La columna de embutición de calibrado se usa para piezas de pared recta donde importan el diámetro o el espesor de pared, o donde el acabado superficial debe mejorar lo suficiente para reducir el costo de acabado.
Radio de embutición en la abertura de la matriz
El radio se mantiene tan grande como lo permita el flujo, porque un radio pequeño obliga al metal a doblarse y enderezarse sobre un arco cerrado y eleva la fuerza necesaria para tirar de él.
| Espesor del material, in. (mm) | Radio de embutición, in. (mm) |
|---|---|
| 1/64 (0.4) | 1/16 (1.6) |
| 1/32 (0.8) | 1/8 (3.2) |
| 3/64 (1.2) | 3/16 (4.8) |
| 1/16 (1.6) | 1/4 (6.4) |
| 5/64 (2.0) | 3/8 (9.5) |
| 3/32 (2.4) | 7/16 (11.1) |
| 1/8 (3.2) | 9/16 (14.3) |
Fuente: Fundamentals of Tool Design, 6.ª edición (Society of Manufacturing Engineers, 2010), Capítulo 8, Tabla 8-2. Los valores se basan en un radio de aproximadamente cuatro veces el espesor del material, y la fuente admite de cuatro a seis veces en la práctica.
Los dos modos de falla que quedan a cada lado
Un radio demasiado grande permite que el sujetador del blanco libere el metal antes de completar la embutición, y la pared se arruga. Para una pieza de pared recta embutida sin brida, un radio grande puede plegar el metal al perderse el control del sujetador del blanco. Más allá de seis veces el espesor del material hay poca reducción adicional en la fuerza de embutición, y acercarse a diez veces el espesor invita al arrugamiento mientras el metal fluye sobre el radio.
Un radio demasiado pequeño rompe el material al cruzar el radio o al apoyarse contra la cara del punzón. Un radio cerrado también deforma más el metal, lo que aumenta el endurecimiento por deformación, que a su vez exige más fuerza en la siguiente pasada.
Diámetro del blanco
El blanco se desarrolla a partir de la pieza terminada por área superficial, y la relación entre el diámetro de la pieza y el radio de esquina determina qué fórmula se aplica.
| Geometría de la pieza | Fórmula para el diámetro del blanco |
|---|---|
| d/r de 20 o más | D = √(d² + 4dh) |
| d/r entre 15 y 20 | D = √(d² + 4dh − 0.5r) |
| d/r entre 10 y 15 | D = √(d² + 4dh − r) |
| d/r por debajo de 10 | D = √((d − 2r)² + 4d(h − r) + 2πr(d − 0.7r)) |
| Pared estirada más delgada que el fondo | D = √(d² + 4dh × t / T) |
- D es el diámetro del blanco, d el diámetro de la pieza, h la altura de la pieza, r el radio de esquina, t el espesor de pared y T el espesor del fondo.
- Las fórmulas suponen que el área superficial del blanco es igual al área superficial de la pieza terminada. Cuando la pared se estira más delgada que el fondo, debe coincidir el volumen de metal, y una pieza como una vaina de latón se desarrolla por prueba.
- En el ejemplo de la fuente, una pieza de 2.75 in. (69.9 mm) y 1.5 in. (38.1 mm) de alto con una relación d/r superior a 20 se embute a partir de un blanco de 4.9 in. (124.5 mm), y la relación entre el área del blanco y el área de la nariz del punzón de aproximadamente 4 a 1 la mantiene dentro de una sola embutición.
Cuántas embuticiones necesita la pieza
Una vez fijado el tamaño del blanco, el siguiente paso es estimar el número de embuticiones y la tasa de reducción de cada una.
| Límite | Lo que da la fuente |
|---|---|
| Primera embutición, área del blanco contra área del punzón | El área del blanco no debe ser más de 3.5 a 4 veces el área de la sección transversal del punzón. Cuanto mayor sea la diferencia entre el diámetro del blanco y el de la pieza, más metal debe fluir en una operación y mayor es la tensión necesaria para moverlo. |
| Relación de espesor t/D | A medida que la relación disminuye, aumenta la tendencia al arrugamiento y se necesita más presión del sujetador del blanco para controlar el flujo y evitar que comiencen las arrugas. |
| Primera embutición de simple efecto | Un límite superior de aproximadamente 48 por ciento de reducción, tomado de la práctica. |
| Reembutición de doble efecto | Un límite de 30 por ciento, modificado por los radios de esquina, la fricción y el ángulo de las caras de sujeción del blanco contra la pared de la pieza. |
| Tercera embutición y posteriores | No más de 20 por ciento de reducción sin una operación de recocido, debido al endurecimiento por deformación ya presente en el metal. |
De dónde provienen los límites
El área de metal retenida entre las caras de sujeción del blanco debe mantenerse razonablemente proporcional al área que presiona el punzón, porque hay un límite a la cantidad de metal que se puede hacer fluir en una operación. El acero que se endurece por deformación entre pasadas debe ablandarse antes de la siguiente, y los programas para ello están en la Gráfico de recocido y normalización.
Fuerza de embutición y fuerza del sujetador del blanco
El punzón soporta toda la carga de la embutición a través del fondo de la copa, y el sujetador del blanco añade su propia presión encima.
| Cantidad | Fórmula | Notas de trabajo |
|---|---|---|
| Fuerza de embutición | P = π d t s (D / d − C) | s es el límite elástico del metal, y C una constante de 0.6 a 0.7 que cubre la fricción y el doblado. Toda la carga pasa a través del punzón hasta el fondo de la copa. |
| Fuerza del sujetador del blanco | Desde unas pocas libras hasta un tercio de la fuerza de embutición | Determinada en gran medida por prueba y error. Presión suficiente para evitar arrugas sin retardar el flujo de metal hacia la matriz. |
El ejemplo resuelto
En el ejemplo de origen, la fuerza de embutición resulta de 20 toneladas (178 kN) para la carcasa descrita anteriormente, y se indica que una fuerza del sujetachapa de alrededor de 6 toneladas (53 kN) es más que suficiente. Una prensa inclinable de respaldo abierto estándar de 30 toneladas (267 kN) realiza el trabajo.
La fuerza está limitada por la falla por tracción de la pared lateral, por lo que depende del área de la sección transversal de la pared y del límite elástico del metal a medida que se trabaja. Cuando la fuerza está limitada por la prensa en lugar de la matriz, las respuestas son las mismas que en el corte. Distribuya el trabajo a lo largo de la carrera y mantenga el pico alejado del fondo de la carrera de la prensa.
Qué hace fallar una embutición
La mayoría de las fallas se remontan al flujo del metal hacia la cavidad, y cada causa tiene su propia firma visible.
| Causa raíz | Cómo se ve |
|---|---|
| Embutibilidad del material demasiado baja | La pared se estrangula o adelgaza cerca del radio del punzón antes de alcanzar la profundidad. |
| Fuerza del sujetachapa demasiado alta | El metal no puede fluir hacia la cavidad y la pared se estira hasta romperse. |
| Rayado o agarrotamiento en las superficies de la matriz | La resistencia aumenta a lo largo del radio de embutición y la pared sufre daños. |
| Geometría del sujetachapa y radio de embutición | No se permite que el metal se engrose y fluya suavemente hacia la cavidad de la matriz. |
| Lubricante incorrecto o insuficiente | La fricción y la fuerza aumentan juntas, y el acabado superficial se deteriora. |
| Profundidad de embutición o porcentaje de reducción demasiado grande | La pared lateral falla antes de alcanzar la profundidad total. |
| Se necesita una embutición más | La carcasa requiere una reembutición, con un recocido entre pasadas donde el acero se endurece rápidamente por deformación. |
Detecte el estrangulamiento antes de que se rompa
Una falla por estrangulamiento está precedida por un adelgazamiento local que normalmente es invisible en la pieza terminada. El adelgazamiento se puede rastrear con un medidor de espesor ultrasónico antes de que la pared se rompa, y las áreas que necesitan vigilancia son aquellas donde la pieza se embute o conforma con mayor severidad. La aparición del problema se manifiesta primero como una tendencia acelerada en las mediciones.
Cuando el daño es rayado o agarrotamiento en la cara de la matriz, el modo de desgaste relevante y los aceros para herramientas elegidos contra él se recopilan en la página de aceros para herramientas resistentes al desgaste adhesivo.
La lubricación sigue la severidad de la embutición
Las exigencias sobre un lubricante de embutición son mayores que sobre un lubricante para ejes y rodamientos, y la fuente agrupa las opciones por severidad de la operación.
| Clase de operación | Lubricantes típicos |
|---|---|
| Operaciones leves | Aceite mineral de viscosidad media-pesada a pesada, soluciones jabonosas de 0,03 a 2 por ciento de jabón de alto título, o emulsiones de grasa y aceite graso en base jabonosa. |
| Operaciones medias | Grasa o aceite en emulsiones de base jabonosa con cargas finamente divididas como creta o litopón, aceites sulfurizados, metales disímiles depositados sobre acero, depósitos de óxido o fosfato, o una película de jabón seca. |
| Operaciones severas | Película seca de jabón o cera con recubrimientos ligeros de óxido o fosfato, recubrimientos de sulfuro o fosfato con emulsiones cargadas, combinaciones con contenido de azufre, o mezclas de base de aceite sulfurizado con cargas. |
El anillo de embutición es una pieza de acero para herramientas
La matriz de una matriz de embutición suele ser el propio anillo de embutición, fabricado de acero para herramientas con el borde de la cavidad formando una zona esférica sobre la cual se embute el metal. Las matrices de embutición grandes suelen llevar un anillo de embutición insertado reemplazable de acero para herramientas, de modo que el borde de trabajo se puede renovar sin desechar el bloque detrás de él.
El material sube con la longitud de producción
La fuente escala el material de la matriz con el número de piezas. Por debajo de cien piezas, un molde de plástico o aleación de zinc es satisfactorio; unos cientos de piezas se producen en un anillo de hierro fundido simple, y los hierros fundidos se pueden endurecer a la llama o cromar duro y nitrurar por iones para producciones más largas. El acero para herramientas entra para producciones largas en matrices pequeñas, donde la elección sigue el desgaste, la resistencia y la dureza, y los insertos de carburo toman las producciones muy largas sobre material abrasivo.
La cuestión del grado para una matriz de embutición
Qué acero para herramientas lleva una matriz de embutición profunda sigue la misma lógica que el resto de la familia de trabajo en frío. La lista corta utilizada en este sitio, con las razones para cada grado, está en la página de selección de matrices de embutición profunda, y una discusión más extensa sobre el intercambio detrás de ella se encuentra en el artículo sobre acero para herramientas de embutición profunda.
Los bloques llegan recocidos
Una matriz de embutición se mecaniza en estado blando y se endurece después, por lo que el bloque se pide en condición recocida con suficiente sobreespesor para el movimiento durante el tratamiento térmico. Lo que esa condición significa para el mecanizado y para el paso de endurecimiento se expone en la tool steel bar delivery condition page, y la familia de conformado y embutición en su conjunto se recopila bajo matrices de conformado, embutición y doblado.
Confirmar antes de cotizar
Estas cifras son solo para referencia general. La holgura de embutición y los radios varían con el material, el lubricante, el sujetachapa y la prensa. Confirme con su propia prueba o contacte a Aobo Steel.
Páginas de referencia relacionadas
Aceros para trabajo en frío · Holgura de la matriz y fuerza de corte · Retroceso elástico y tolerancia de plegado · Selección de conformado y embutición · Tabla de rugosidad superficial · Suministro de acero para herramientas
Fuentes: Fundamentals of Tool Design, Sixth Edition (Society of Manufacturing Engineers, 2010), Capítulo 8, las secciones de diseño de matriz de embutición, factores de reducción, fuerza, causa de falla y lubricación, con las Tablas 8-2 y 8-3 y las Ecuaciones 8-17 a 8-22. Datos de referencia solo para comparación. Confirme el programa de embutición, el material de la matriz y la capacidad de la prensa con su taller de matrices antes de la producción. Aobo Steel suministra acero para herramientas en condición recocida.