Productos semielaborados y materiales
Actualmente, se utilizan predominantemente aleaciones de acero y aleaciones de aluminio como materiales para los productos semielaborados requeridos en la producción de hidroconformado. Las aleaciones de cobre y latón se utilizan para los productos hidroconformados en la industria de tuberías y sanitaria. Las aleaciones aplicadas corresponden, en la mayoría de los casos, a materiales que se utilizan para los procesos habituales de conformación en frío, como la embutición profunda o la conformación en masa. En principio, todos los materiales metálicos con suficiente capacidad de conformación son adecuados para los productos semiacabados en los procesos de hidroconformación. Una estructura de grano fino combinada con grandes cantidades de alargamiento uniforme, alargamiento a la rotura y un gran coeficiente de endurecimiento por deformación son ventajosos en la expansión factible de la pieza inicial, alcanzable sin la aparición de inestabilidades en el material. La resistencia del componente final se mejora mediante un endurecimiento por deformación característico del material conformado; sin embargo, el endurecimiento por deformación también provoca un aumento de las cargas de conformación requeridas.
Las aleaciones de acero utilizadas o probadas para los componentes de hidroconformación convencionales son los aceros dúctiles de bajo contenido en carbono, los aceros cementados, los aceros tratables térmicamente, los aceros inoxidables ferríticos y austeníticos, así como los aceros de alta y ultra alta resistencia, por ejemplo . En general, los materiales de acero tubular, que se utilizan para aplicaciones de hidroconformación, se producen a partir de material de lámina plana mediante la formación de rollos continuos y la soldadura longitudinal de alta frecuencia para cerrar la sección transversal tubular formada por rollos. Los tubos con sección transversal circular, así como los perfiles que difieren de una forma circular, pueden generarse mediante el proceso de perfilado utilizando herramientas de perfilado adecuadas. Sin embargo, para la producción de componentes de acero mediante hidroconformado se utilizan actualmente sobre todo productos semiacabados con secciones transversales circulares. Las dimensiones típicas de los tubos de acero hidroconformados convencionalmente son diámetros exteriores, d0, entre unos 20 mm y 140 mm, con relaciones entre el grosor de la pared y el diámetro exterior, t0/d0, entre unos 0,012 y 0,16. En cuanto al microconformado, el mercado ofrece actualmente microtubos metálicos conformados y soldados con diámetros exteriores mínimos de unos 0,2 mm y espesores de pared mínimos de unos 0,03 mm.
A la hora de seleccionar los tubos apropiados para los procesos de hidroconformado, hay que distinguir entre los tubos sin proceso de recocido tras el conformado en frío por rodillo o trefilado, los tubos trefilados con una pequeña tensión resultante tras un proceso de recocido precedente, y los tubos recocidos tras la operación final de conformado en frío. Los procesos de estirado, después de la operación de conformación por rodillo, sirven para el ajuste del diámetro final del tubo y/o del espesor de la pared, así como para proporcionar un aumento de la resistencia debido a los efectos de endurecimiento por trabajo.
Los tubos estirados y no recocidos suelen proporcionar una conformabilidad reducida en los procesos de hidroconformación, dependiendo de las características de la aleación de acero utilizada y de la cantidad de tensión inducida por la operación de estirado. Los tubos estirados con una pequeña deformación resultante después del recocido presentan una conformabilidad en frío dentro de ciertos límites. La conformabilidad en frío más amplia se obtiene mediante el uso de tubos que han sido recocidos después de la operación final de conformación en frío, como el perfilado o el trefilado.
Para evitar el estallido prematuro de la pieza dentro del proceso de hidroconformación, se requiere una calidad de la costura de soldadura muy satisfactoria para los tubos perfilados y soldados. Se recomienda evitar situar el cordón de soldadura en el componente hidroconformado final dentro de las zonas en las que actúan sobre el componente tensiones de tracción excesivas debidas a la expansión durante el proceso de hidroconformado.
La figura 3 muestra ejemplos de piezas de microprototipos hidroconformados hechos a partir de tubos de acero inoxidable recocidos en solución . El material del tubo inicial, con un diámetro exterior de 0,8 mm y un espesor de pared de 0,04 mm, se había fabricado mediante un proceso de conformación por rodillo continuo y posterior estirado y recocido.
Figura 3. Componentes micro-hidroformados.
Con respecto al uso de aleaciones de aluminio para aplicaciones de hidroconformado convencional, las aleaciones de aluminio 5000 endurecidas por el trabajo se utilizan actualmente cuando se da prioridad a una alta cantidad de conformabilidad y resistencia a la corrosión, mientras que las aleaciones de aluminio 6000 endurecidas por precipitación se aplican para componentes que requieren una alta resistencia, por ejemplo, . En general, los tubos de aleaciones de aluminio 5000 se fabrican a partir de láminas planas mediante conformación continua con soldadura longitudinal, mientras que las aleaciones de aluminio 6000 se producen como perfiles extruidos. Los perfiles extruidos ofrecen ventajas en cuanto a flexibilidad de diseño para secciones transversales complejas con esquinas afiladas, múltiples huecos y bridas. Sin embargo, hay que tener en cuenta la reducida conformabilidad de estos productos semiacabados a la hora de diseñar un componente de hidroconformado respectivo. Además, la selección del material extruido para los microcomponentes hidroconformados está actualmente restringida por las dimensiones mínimas de la sección transversal que pueden producir las industrias correspondientes. La fabricación de perfiles microextruidos como productos semiacabados ha sido objeto de varias investigaciones, por ejemplo.
Debido a su alta relación resistencia-peso, las aleaciones de magnesio ofrecen un gran potencial para componentes de peso reducido. Sin embargo, el uso de estas aleaciones en procesos de conformación que trabajan a temperatura ambiente está limitado debido a su estructura atómica hexagonal. La mejora de la conformabilidad se consigue mediante el uso de temperaturas elevadas, por encima de unos 200 °C, cuando se activan planos de deslizamiento adicionales. En este contexto, en los últimos años se han llevado a cabo diversas investigaciones sobre el hidroconformado convencional de productos semielaborados de aleaciones de magnesio mediante el uso de una temperatura elevada, por ejemplo, .
En los casos en los que el hidroconformado se aplica a tubos con microdimensiones, deben tenerse en cuenta las posibles influencias en el comportamiento de conformado, causadas por la reducida relación entre el grosor de la pared del tubo y el diámetro medio del tamaño del grano, t0/dk, de la microestructura del tubo. Esto se aplica independientemente del material del tubo utilizado. A modo de ejemplo, la figura 4 muestra la microestructura de los tubos de partida, utilizados para el hidroconformado de los componentes de acero inoxidable presentados en la figura 3. Se determinó una relación media, t0/dk, entre el grosor de la pared del tubo t0 y el tamaño de grano dk entre 1,54 y 2,56 con un pequeño número de granos individuales con t0/dk ≈ 1 .
Figura 4. Microestructura de un microtubo (material: AISI 304 recocido por disolución, diámetro exterior 800 μm, espesor de pared 40 μm) , (a) sección en la dirección longitudinal del tubo, (b) sección perpendicular a la dirección longitudinal.
El diseño de los procesos de hidroconformación, así como la supervisión de la calidad del producto semiacabado en la producción de hidroconformación, requiere métodos adecuados y fiables para obtener parámetros del material que caractericen el comportamiento del conformado. En lo que respecta al hidroconformado de tubos convencional, actualmente se utilizan predominantemente métodos tradicionales de ensayo de materiales, como los ensayos de tracción, los métodos de expansión mecánica y el análisis de rejilla. Sin embargo, la idoneidad de estos métodos es a menudo limitada, ya que el estado de tensión biaxial típico en los procesos de hidroconformación no se reproduce, o sólo se reproduce de forma aproximada.
El método más común en uso para caracterizar el comportamiento de conformación del material tubular aplicado es el ensayo de tracción, que es un método de ensayo de material uniaxial estandarizado. Hay que distinguir entre la aplicación de este ensayo al material de chapa inicial antes del conformado con rodillo y las piezas conformadas y soldadas con rodillo. El ensayo del material de chapa inicial significa que los cambios en las propiedades del material debidos al proceso de fabricación del tubo no se tienen en cuenta.
Un método para el análisis de la deformación en componentes hidroformados consiste en la aplicación de rejillas circulares o cuadráticas en la superficie del producto semiacabado inicial. La distorsión medida de los elementos individuales de la rejilla en la pieza hidroconformada permite determinar las deformaciones locales, lo que proporciona una evaluación del proceso de hidroconformación al comparar las deformaciones analizadas con la curva límite de conformación del material del tubo respectivo, por ejemplo, . Existen restricciones en el uso de este método en los procesos de microhidroconformación debido al tamaño mínimo de rejilla aplicable en los microtubos.
Un ejemplo de método de ensayo de expansión mecánica estandarizado es el ensayo de cono, en el que el extremo del tubo investigado se expande mediante un punzón cónico hasta que se produce la fractura. Este ensayo permite determinar principalmente la conformabilidad, por ejemplo, para comparar diferentes lotes de material tubular. Además, se pueden detectar fallos en la superficie del tubo o en el interior del cordón de soldadura. Al aplicar este método de ensayo, hay que tener en cuenta que las variaciones en las condiciones de fricción o la rugosidad desigual de la superficie preparada en la cara del extremo del tubo influyen en el inicio de la fractura de la sección del tubo expandido. La figura 5 muestra los resultados de los microtubos expandidos mecánicamente de acero inoxidable AISI 304.
Figura 5. Ensayo de cono de expansión y resultados experimentales.
Para mejorar los métodos de caracterización de los tubos para aplicaciones de hidroconformado, se han realizado varias investigaciones sobre ensayos de expansión de tubos trabajando con una presurización interior del tubo ensayado, que se sujeta en sus extremos según la figura 6. Este ensayo de abombamiento permite determinar la presión de rotura pb, el diámetro de expansión dependiente de la presión d(pi) y el diámetro de expansión alcanzable dr bajo el estado de tensión biaxial. Se han desarrollado estrategias para determinar las propiedades de los materiales de los tubos, así como sus curvas de fluencia, basadas en el ensayo de abombamiento, por ejemplo en las refs. , . Al aplicar el ensayo de abombamiento, hay que tener en cuenta que la relación entre la longitud del tubo expandido ld y el diámetro del tubo d0 influye en la presión necesaria para expandir una muestra tubular, si la relación ld/d0 está por debajo de un determinado límite . El dispositivo de ensayo de abombamiento mostrado en la figura 6 ha sido desarrollado para el ensayo de microtubos con diámetros exteriores inferiores a 1 mm y es adecuado para aplicar hasta 4000 bar de presión interna . La figura 7 muestra, a modo de ejemplo, los resultados de las pruebas de microtubos realizadas con este dispositivo, en las que se verificó el cambio de la conformabilidad para los procesos de hidroconformación a escala reducida, tal como se presenta en .
Figura 6. Dispositivo de ensayo de abombamiento para microtubos.
Figura 7. Relación de expansión frente a la presión de rotura de microtubos de acero inoxidable recocido en solución.