Análisis de los esfuerzos generados en los frenos de embutición y desarrollo de un modelo semi-analítico de predicción de los esfuerzos de enclavamiento

Abstract

Los frenos de embutición son uno de los elementos más fundamentales a la hora de controlar el proceso de embutición de componentes de automóvil y obtener un proceso satisfactorio. Debido a la necesidad de reducir el tiempo computacional de las simulaciones del proceso de embutición, surgen los modelos analíticos que tratan de sustituir la implementación física del freno, prediciendo y aplicando los esfuerzos generados por los frenos a la chapa que pasa por ellos. Sin embargo, según la información recibida por la industria troquelera, la precisión de estos modelos no es la adecuada. El primer trabajo sobre frenos se publicaba en el año 1978 por Nine. Este trabajo fue muy relevante ya que los resultados experimentales que se obtuvieron fueron utilizados para la validación de la mayoría de modelos desarrollados posteriormente. No obstante, en esta tesis se confirma que el ensayo desarrollado por Nine no representaba adecuadamente el esfuerzo de enclavamiento de un freno de embutición y, por tanto, las precisiones observadas por los modelos, que se comparaban con los resultados de Nine, son discutibles. Por todo lo que se ha explicado previamente, se decide desarrollar un modelo semi analítico capaz de predecir con precisión los esfuerzos de enclavamiento y de retención generados en el freno. Para este trabajo, se seleccionan dos aceros, un DX54D y un DP780, que cubren un amplio rango de los aceros que se utilizan en procesos de embutición de componentes de automóvil y se caracterizan sus aspectos mecánicos más relevantes y el comportamiento tribológico. También se desarrolla un utillaje de frenos que permite obtener los esfuerzos de enclavamiento y retención de una manera fiable y representativa de un freno de embutición real. Al comparar estos esfuerzos obtenidos experimentalmente con los valores calculados por los dos únicos modelos que se han implementado en un software de simulación comercial, se observa que las diferencias de los esfuerzos de enclavamiento son excesivas y altamente superiores a las diferencias de los esfuerzos de retención. Por tanto, se confirman las afirmaciones recibidas por la industria troquelera y se decide desarrollar un modelo semi-analítico capaz de predecir los esfuerzos de enclavamiento. Para ello, se realiza un análisis exhaustivo por medio de un modelo de simulación numérica 2D en estado de “Plane Strain” que aporte la información necesaria para comprender el fenómeno de enclavamiento. En este análisis se observa que el esfuerzo de cierre aumenta de manera drástica en las últimas décimas de milímetro previas al cierre completo y que este aumento se localiza sobre las caras planas del macho. Esto se debe a que se genera un rizo en la chapa que se aplana en los últimos instantes del cierre. De este estudio se entienden las diferencias encontradas entre el modelo de simulación numérica y los resultados experimentales y se sientan las bases para el desarrollo del modelo semi analítico. El modelo semi-analítico desarrollado en este trabajo que está basado en la teoría de doblado puro es una herramienta muy útil para la predicción de los esfuerzos de enclavamiento ya que los resultados muestran diferencias del 5,2% con respecto al modelo de simulación numérica y del 6,4% respecto a los esfuerzos obtenidos experimentalmente. Además, el modelo es capaz de ofrecer la distribución de los esfuerzos sobre las diferentes zonas de las herramientas y la evolución del esfuerzo de cierre. Estos resultados confirman la validez del modelo para el cálculo de los esfuerzos de enclavamiento, sin embargo, el modelo requiere la evolución de las geometrías de la chapa a lo largo del enclavamiento y esta información de entrada se extrae de los modelos de simulación numérica. Para evitar la necesidad de hacer uso de modelos de simulación numérica, en este trabajo se plantea una línea de trabajo que finaliza en el desarrollo de un modelo capaz de predecir la evolución de la geometría a lo largo del cierre del freno.