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

FIGURA 1. El área roja a la derecha es el área de depósito en un inserto D2 desnudo probado con lubricante 61AUS. El perfil de ese depósito se muestra a la izquierda.

Nota del editor: Investigadores del Centro de Materiales y Fabricación Avanzada 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. Esta investigación se presenta en tres partes. La Parte I informó los resultados de los materiales para troqueles D6510 y S0050A sin tratamientos superficiales. La Parte III discutirá los resultados de los insertos D6510 y S0050A nitrurados y cromados duros.

El objetivo de los investigadores era determinar la aparición de irritación de insertos recubiertos de D2 desnudo y carbono tipo diamante (DLC) (Cr + CrN + aC:H:W + aC:H) en contacto con una lámina de aluminio 5754 de 2,5 mm de espesor y para cuantificar la influencia de la lubricación, la fuerza de contacto y la rugosidad inicial de la superficie del troquel. El diseño de la herramienta se describe en detalle en "Medición de la fricción para estampado de UHSS". La metodología experimental fue la misma que en la Parte I.

Los investigadores examinaron los insertos y tomaron medidas del perfil del área de irritación utilizando un perfilómetro Bruker. La Figura 1 muestra los insertos D2 desnudos cuando se determinó la irritación para el lubricante 61AUS, así como el perfil del depósito que se muestra en el lado izquierdo. La zona roja del perfil es la zona del depósito.

La fuerza de tracción en esta configuración de prueba caracterizó las fuerzas de fricción aplicadas desde ambos lados de la lámina tirada entre dos inserciones planas sujetas con el simulador de cordón de tracción. El coeficiente de fricción (COF) se calculó como una relación entre la fuerza de tracción y la fuerza de sujeción duplicada teniendo en cuenta dos superficies de fricción. La fuerza de sujeción fue un valor constante durante la prueba, ya que fue impulsada por la presión en el cilindro hidráulico del simulador del cordón de tracción. Por lo tanto, la curva COF versus el desplazamiento deslizante fue proporcional a la fuerza de tracción y proporcionó el valor COF experimental, que puede aplicarse para la simulación numérica como un beneficio adicional de este estudio.

En la Figura 2 se presenta la curva COF para una fuerza de sujeción de 55 kN con un inserto D2 desnudo lubricado con aceite de molino 61AUS. Esta curva fue una de las posibles formas de determinar el desgaste en los insertos. El aumento de COF proporcional a la fuerza de tracción es el signo del inicio del irritamiento. Este aumento puede interpretarse como una resistencia adicional del área local donde se suelda una partícula a la superficie del troquel. Esta partícula creó una resistencia local pero bastante significativa al flujo de material a lo largo de la superficie del inserto al hacer una muesca local en la superficie de la lámina, lo que dejó un rasguño en la superficie de la tira probada paralela a la dirección de tracción. Se observó un ligero aumento de la curva con una fuerza de sujeción de 50 kN que correspondía a 28 MPa de presión de contacto promedio e indicó el inicio del gripado. Se observó un aumento más evidente del COF con un mayor aumento de la fuerza de sujeción.

En la Figura 3 se ilustran los rayones en la muestra de D2 desnudo con lubricante 61AUS.

Las pruebas de D2 con recubrimiento DLC con ambos lubricantes no mostraron irritaciones y un COF bajo. Para las pruebas con 61AUS con una fuerza de sujeción de 100 kN, la fuerza de tracción máxima (15,8 kN) excedió el umbral de fluencia del material en lámina (14,5 kN) medido experimentalmente según la prueba de tracción de las tiras probadas. No se observó irritación en los insertos.

Para las pruebas de insertos D2 recubiertos de DLC con lubricante DC2-90, la fuerza de sujeción se aumentó hasta 200 kN, que es la fuerza máxima posible proporcionada por la bomba hidráulica. No se observó irritación en los insertos, aunque el COF aumentó para fuerzas más altas.

La única condición en la que se observó excoriación en el acero D2 recubierto con DLC fue en condición seca sin lubricante. El inserto D2 con recubrimiento DLC se muestra después de este experimento en la Figura 4. El perfil de depósito se muestra a la derecha y el área roja en el perfil es el área de depósito.

La Figura 5 resume el nivel de umbral de fricción de presión de contacto promedio correlacionado con la rugosidad de los insertos antes de la prueba, que fue de 358 nm para insertos D2 desnudos y 71 nm para acero para herramientas D2 recubierto de DLC. Para los insertos D2 desnudos con 50 mg/pie2 de 61 AUS, el irritamiento comenzó a 28 MPa de presión de contacto promedio; para los insertos D2 desnudos con DC2-90, el irritamiento comenzó a 51 MPa de presión de contacto promedio; y para la condición seca, se inició con 7 MPa de presión de contacto promedio. Para D2 recubierto de DLC con 50 mg/pie2 de lubricantes 61AUS y DC2-90, no se observó irritación en todo el rango de presiones de contacto. Para la condición seca, la abrasión comenzó a 11 MPa de presión de contacto promedio. Esto indica que tener un recubrimiento DLC sobre una base D2 y tenerlo muy bien pulido proporciona una resistencia superior contra el desgaste.

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.