Detección de la aparición de irritación en el estampado de aleaciones de aluminio, Parte I

Nota del editor: esta investigación se presenta en tres partes. La Parte II informará los resultados de los insertos de acero para herramientas D2 y dos tipos de revestimientos de superficie. La Parte III discutirá los resultados de los insertos D6510 y S0050A nitrurados y cromados duros.

El gripado es la soldadura en frío de partículas de chapa metálica a la superficie del troquel de estampado. Este depósito permanente ocurre a menudo cuando las superficies metálicas están en contacto y se deslizan entre sí.

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 matriz, tratamiento de superficie de matriz y lubricante era más favorable para prevenir el desgaste al estampar piezas estructurales de aluminio. Utilizaron como materiales de matriz hierro dúctil D6510, acero fundido S0050A y acero para herramientas D2, junto con inserciones de tres materiales probados, con cantidades de lubricante y tratamientos superficiales típicamente utilizados en estampado.

Los investigadores seleccionaron una configuración de prueba simple de plano a plano para estimar la presión de contacto promedio correspondiente al inicio del desgaste al estampar una lámina de aluminio AA5754 de 2,5 mm de espesor. Se sujetaron dos insertos planos de material idéntico y rugosidad y cantidad de lubricación similares con superficies de contacto de 42 por 42 mm en el simulador de cordón de tracción con una cantidad controlable de fuerza de sujeción (consulte la Figura 1). Las tiras ensayadas tenían 600 mm de largo y 50,8 mm de ancho. En esta configuración, las tiras eran más anchas que las inserciones probadas. Debido a que el inserto tenía un radio de 1,5 mm en el borde, el efecto del borde del contacto entre la tira y el inserto de matriz fue menos pronunciado.

Las tiras analizadas se colocaron entre dos insertos sujetos a 1.000 mm/min. para todas las pruebas reportadas. La fuerza de sujeción comenzó en 13 kN, la fuerza de sujeción mínima posible del simulador de cordón de tracción, y aumentó hasta el nivel de fuerza de sujeción en el que se observó irritación. Si se depositaba material en láminas en la superficie del inserto, los investigadores eliminaban el depósito con papel de lija de grano 1200 y luego usaban acetona para eliminar la suciedad y las partículas.

Se compararon tres condiciones de lubricación: aceite de molino 61AUS (50 mg/pie²), Drycote 2-90 (DC 2-90) y seco sin lubricante. Un sensor NG2 midió el espesor de la lubricación en seis ubicaciones a cada lado del área de prueba de la tira.

El irritamiento a menudo está precedido por rayones en la superficie de la chapa metálica, y el rayado y el irritamiento en general se pueden detectar monitoreando la curva de fuerza de tracción/desplazamiento deslizante en la máquina de prueba. Si la fuerza de tracción permanece casi constante durante el experimento, significa que no se produjo ninguna resistencia adicional por parte de la chapa ensayada.

Mientras informaban los resultados sobre la fuerza de tracción y detectaban cambios en la superficie de contacto, los investigadores presentaron los resultados en forma de coeficiente de fricción promedio (COF), determinado según la ley de fricción de Coulomb. Las fuerzas de fricción actúan en ambos lados de una tira dibujada entre dos inserciones planas opuestas, y el COF se calcula usando la fórmula µ = F₁/2F₂ (ver Figura 2).

Los investigadores determinaron el inicio de la irritación examinando los insertos y midiendo el área de la irritación utilizando un perfilómetro Bruker. La Figura 3 muestra ambos insertos D6510 cuando se determinó la irritación para el lubricante DC2-90. Los depósitos en el perfil se muestran en rojo. Tenga en cuenta que los depósitos de aluminio en bruto en la superficie del inserto del troquel fueron más comunes cerca del borde del inserto. Aunque la tira era más ancha que el inserto, exprimir el lubricante de la superficie de contacto podría ser más fácil en el área cercana al borde del inserto.

Los investigadores calcularon el COF según la fórmula utilizando la fuerza de tracción medida por una celda de carga Instron y la fuerza de sujeción calculada a partir de la presión en el cilindro hidráulico del simulador de cordón de tracción. Las curvas de COF para los insertos D6510 con lubricante DC2-90 se presentan en la Figura 4. En general, el COF fue muy bajo con DC2-90, lo que permite formar formas complicadas y embuticiones más profundas. Un aumento moderado del COF generalmente indica rayones en la superficie de la lámina, mientras que un aumento rápido indica inicio de excoriación. En la Figura 4, la curva comienza a ascender con 70 kN de fuerza.

FIGURA 1. Se sujetaron dos insertos planos con superficies de contacto de 42 por 42 mm en el simulador de cordón de tracción.

Los rayones a menudo ocurren al mismo tiempo que aparece el depósito en el inserto, pero en el caso del D6510 con DC2-90, los rayones aparecieron con una fuerza de sujeción de 40 kN, antes de que aparecieran irritaciones en los insertos (consulte la Figura 5). A medida que aumentaba la fuerza de sujeción, aparecían más rayones hasta que se observó excoriación con una fuerza de 70 kN.

Para los insertos S0050A con 50 mg/pie2 de 61AUS, el desgaste comenzó con una fuerza de sujeción de 45 kN. Con DC2-90, el irritamiento comenzó a 50 kN. Sin aplicar lubricante, el desgaste comenzó con una fuerza de sujeción de 13 kN.

Para los insertos D6510 con 50 mg/pie2 de 61AUS, el irritamiento comenzó a 40 kN. Para los mismos insertos con DC2-90, comenzó a 70 kN (con rayones observados a 40 kN) y, sin aplicar lubricante, el desgaste comenzó con una fuerza de sujeción de 13 kN.

La Figura 6 resume la presión de contacto promedio correspondiente al irritamiento, teniendo en cuenta la rugosidad de la superficie del inserto antes de la prueba. La rugosidad inicial de la superficie del inserto antes de la prueba fue de 606 nm para S0050A y 165 nm para D6510. Para los insertos S0050A con 50 mg/pie2 de 61 AUS, el irritamiento comenzó a 26 MPa de presión de contacto promedio. Para los mismos insertos con DC2-90, el irritamiento comenzó a 28 MPa y los insertos secos mostraron irritamiento a 7 MPa.

Para los insertos D6510 con 50 mg/pie2 de 61 AUS, el irritamiento comenzó a 23 MPa de presión de contacto promedio. Con DC2-90, la abrasión comenzó a 40 MPa (aunque se observaron rayones en la muestra a 23 MPa). Sin aplicar lubricante, comenzó a 7 MPa.

El umbral de irritación fue más alto cuando se aplicó lubricante DC2-90 a S0050A y D6510 y más bajo cuando no se aplicó lubricante. Los puntos secos son ciertamente muy dañinos desde una perspectiva irritante.

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 bobinas 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. El Dr. Dajun Zhou de Stellantis brindó comentarios muy útiles y participó activamente en la discusión de las conclusiones del proyecto.