Las herramientas empleadas en la estampación en caliente presentan una apariencia similar a las de embutición en frío y constan, fundamentalmente, de punzón, matriz, pisador, bases supletorias y elementos de guiado.
Se consideran como partes activas aquellos elementos que trabajan en contacto con la silueta a conformar: la matriz y el punzón (Figura I. 6). Es habitual considerar estas
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partes activas como elementos consumibles, ya que se someten a reparaciones de forma regular y son sustituidas periódicamente. El resto de elementos que componen un troquel, se conocen como partes no activas: placas soporte, actuadores, guías y elementos normalizados (tornillos, cáncamos, etc.).
Figura I. 6. Identificación de las partes activas de un troquel [Salazar, 2012].
En las herramientas de estampación en caliente, las dos partes activas, fija y móvil, constan de una doble función: conformar y templar. Por ello, su configuración más habitual es la de tacos o “casetes” (Figura I. 7) que se insertan en el “porta-casetes” correspondiente (Figura I. 8). Entre los distintos casetes que forman la herramienta se han de cumplir dos condiciones funcionales: la unión entre los distintos casetes de forma que el conjunto presente un aspecto de unidad, y la comunicación entre sí de los circuitos de refrigeración.
Capítulo I. Estado del arte
Figura I. 8. Punzón y matriz compuestos de distintos casetes y colocados en
Se trata de dos condiciones funcionales de las herramientas utilizadas en estampación en caliente que deben tenerse en cuenta a la hora de introducir cualquier modificación o cambio de diseño.
El concepto de herramienta compuesta por diversos casetes condiciona el modo de fabricación, ya que las dimensiones de cada casete, vienen determinadas por la factibilidad de su fabricación mediante tecnologías de mecanizado por arranque de viruta, tanto de la propia geo
y no, como podría pensarse, por otras necesidades planteadas por la propia tecnología de estampación en caliente.
La fabricación de estos tacos se lleva a cabo, principalmente, partiendo de acero forjado. Mediante operaciones de mecanizado se obtienen la geometría y los circuitos de refrigeración necesarios para que durante el conformado/temple la chapa se enfríe. El diseño de los circuitos de refrigeración está limitado por la viabilidad de las operaciones de taladrado necesarias para la realización de los agujeros de refrige
[Hoffmann, 2007a].
Además, el mecanizado de los circuitos implica operaciones de larga duración así como de coste elevado, con la limitación de que únicamente se pueden
rectos [Escher, 2015].
Capítulo I. Estado del arte
. Punzón y matriz compuestos de distintos casetes y colocados en porta-casetes [Barañano, 2009].
Se trata de dos condiciones funcionales de las herramientas utilizadas en estampación en caliente que deben tenerse en cuenta a la hora de introducir cualquier modificación o
herramienta compuesta por diversos casetes condiciona el modo de fabricación, ya que las dimensiones de cada casete, vienen determinadas por la factibilidad de su fabricación mediante tecnologías de mecanizado por arranque de viruta, tanto de la propia geometría como de los circuitos de refrigeración de los casetes y no, como podría pensarse, por otras necesidades planteadas por la propia tecnología de estampación en caliente.
La fabricación de estos tacos se lleva a cabo, principalmente, partiendo de acero forjado. Mediante operaciones de mecanizado se obtienen la geometría y los circuitos de refrigeración necesarios para que durante el conformado/temple la chapa se enfríe. El diseño de los circuitos de refrigeración está limitado por la viabilidad de las
peraciones de taladrado necesarias para la realización de los agujeros de refrige
Además, el mecanizado de los circuitos implica operaciones de larga duración así como de coste elevado, con la limitación de que únicamente se pueden
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. Punzón y matriz compuestos de distintos casetes y colocados en los respectivos
Se trata de dos condiciones funcionales de las herramientas utilizadas en estampación en caliente que deben tenerse en cuenta a la hora de introducir cualquier modificación o
herramienta compuesta por diversos casetes condiciona el modo de fabricación, ya que las dimensiones de cada casete, vienen determinadas por la factibilidad de su fabricación mediante tecnologías de mecanizado por arranque de metría como de los circuitos de refrigeración de los casetes y no, como podría pensarse, por otras necesidades planteadas por la propia tecnología
La fabricación de estos tacos se lleva a cabo, principalmente, partiendo de acero forjado. Mediante operaciones de mecanizado se obtienen la geometría y los circuitos de refrigeración necesarios para que durante el conformado/temple la chapa se enfríe. El diseño de los circuitos de refrigeración está limitado por la viabilidad de las peraciones de taladrado necesarias para la realización de los agujeros de refrigeración
Además, el mecanizado de los circuitos implica operaciones de larga duración así como de coste elevado, con la limitación de que únicamente se pueden taladrar agujeros
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2.2 Materiales
Con el fin de que las herramientas resistan al desgaste, así como al impacto mecánico y térmico, deben de cumplir con una serie de requisitos: elevada dureza y resistencia a la tracción (para soportar las tensiones térmicas y mecánicas) y buena resistencia al desgaste. Además, también deben presentar suficiente tenacidad con el fin de evitar las roturas así como una elevada conductividad térmica.
En la construcción de las partes activas de las herramientas de estampación en caliente, la tendencia que prevalece en la actualidad es el uso de aceros para herramientas de trabajo en caliente, los cuales presentan buena resistencia al revenido y buena tenacidad [Escher, 2015]. La elección de este tipo de aceros se relaciona con las solicitaciones propias del conformado, además de las particularidades térmicas que se presenta en el temple en troquel.
Los aceros de trabajo en caliente presentan durezas finales superiores a los 44 HRC (1.400 MPa) y, dado que las cargas mecánicas no son excesivamente altas, una herramienta fabricada con un material cuya resistencia sea superior a 1.500 MPa no debería de presentar problemas de deformación plástica [Naganathan, 2010].
Para una mayor resistencia al desgaste, requerida en el caso de las herramientas empleadas para el corte en troquel de las piezas templadas, se utilizan aceros de herramienta de trabajo en frío que tras el temple y revenido alcanzan durezas del entorno de 58-60HRC con una buena tenacidad [Escher, 2015].
En la búsqueda de las características a cumplir por los aceros empleados para la fabricación de las herramientas es necesario llegar a un compromiso entre una buena resistencia al desgaste en un amplio rango de temperaturas y una buena conductividad térmica. Una forma de mejorar la dureza es aumentando el porcentaje de elementos de aleación, pero afecta negativamente a la conductividad térmica.
Para que las herramientas resistan al desgaste, así como al impacto mecánico y térmico, deben de cumplir una serie de requisitos tales como una elevada dureza y resistencia a la tracción. Con el fin de evitar roturas también deben presentar suficiente tenacidad. Una elevada conductividad térmica aumenta la velocidad de transferencia de
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calor de la silueta a la herramienta y, de esta forma, mejora la productividad [Escher, 2015]. Del mismo modo, se indica que se necesitan aceros de herramienta con propiedades físicas mejoradas, especialmente con una conductividad térmica mayor que la de los aceros de trabajo en caliente convencionales (con valores máximos de 40 W/m K), ya que una elevada conductividad térmica permite una reducción significativa en el tiempo de ciclo [Jesner, 2013]. También se indica que la utilización de aceros de muy alta conductividad térmica permite una importante reducción del ciclo térmico debido a un menor tiempo de mantenimiento durante el conformado/temple [Casas, 2008].
En los últimos años no ha habido grandes cambios en la composición química de los aceros de trabajo en caliente más utilizados. Se han realizado mejoras en aspectos metalúrgicos durante la producción, así como en la optimización de los procesos de mecanizado y en los tratamientos térmicos. De este modo ha sido posible mejorar la limpieza del acero y minimizar las impurezas microestructurales, especialmente en formatos de grandes dimensiones. La Refusión Bajo Escoria Electroconductora (ESR, Electro Slag Remelting) y la Refusión Bajo Vacío (VAR, Vacuum Arc Remelting) son procesos bien establecidos en las líneas de producción de aceros de trabajo en caliente y permiten obtener una mejor limpieza y homogeneidad de los aceros [Jesner, 2013]. En realidad las demandas en cuanto a la limpieza y propiedades de tenacidad únicamente se pueden obtener mediante el proceso ESR [Rahn, 2015].
A pesar de los avances en cuanto a los materiales de herramienta, tanto de trabajo en caliente como de frío, en muchas de las instalaciones de estampación en caliente a escala industrial el acero predominante a la hora de fabricar los casetes de las herramientas es el QRO 90 Supreme (QRO 90). Se trata de una marca comercial del fabricante de aceros UDDELHOM, si bien se trata de una evolución del acero de herramienta de trabajo en caliente DIN 1.2344 (AISI H13).
Es un acero no estándar desarrollado para proporcionar prestaciones de primera clase en utillajes que trabajan a elevada temperatura. A través de su método de fabricación especial (ESR) el acero adquiere una alta pureza y una microestructura compuesta por granos muy finos. Esta condición, junto con el especial equilibrio de los elementos de
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aleación, hace que el QRO 90 garantice un perfil de propiedades que lo hacen ideal para aplicaciones de trabajo en caliente, especialmente, en cuanto a la combinación de tenacidad y resistencia a alta temperatura.
Se apunta que los materiales que actualmente se emplean en la fabricación de las herramientas de estampación en caliente no están diseñados a tal efecto, por lo que su capacidad de reducir el ciclo de enfriamiento y consecuentemente del proceso de fabricación está limitada. Se analiza dos nuevas calidades de acero de elevada conductividad térmica desarrolladas para la estampación en caliente HTCS1 y HTCS3 (High Thermal Conductivity Steel – HTCS). Estos aceros se caracterizan por su elevada dureza superficial además de por su elevado coeficiente de transferencia de calor, por lo que se considera que son capaces de presentar una velocidad máxima de extracción de calor en el proceso de temple. Los resultados de este estudio muestran que a medida que aumenta la temperatura disminuye el coeficiente de fricción y en ambos aceros se presenta una combinación de fenómenos de desgaste adhesivo y abrasivo [Ghiotti, 2016].