Desarrollo de un modelo numérico basado en el análisis experimental de las acciones mecánicas que intervienen en el proceso de embutición profunda de chapa de acero trip

Résumé

El principal objetivo del presente trabajo de investigación ha sido conseguir un acercamiento al conocimiento de la embutición profunda de copas, aplicado especialmente al acero TRIP690 +EBT. Para ello se ha aplicado una metodología de ensayo, desarrollada previamente, basada en el concepto de separación de acciones en la embutición. En este contexto se estudian separadamente las condiciones de conformado bajo el prensachapas y las del radio de entrada a la cavidad de la matriz, esto es, fricción plana uniaxial, deformación bajo tracción-compresión biaxial y doblado bajo tensión. Esta metodología ha permitido evaluar la influencia de las principales variables que intervienen en cada uno de los procesos de deformación mencionados. Para ello se han seguido una serie lógica de etapas en las que los resultados de unas son incorporados a las siguientes hasta llegar a la formulación de un modelo numérico teórico-experimental basado en ensayos simples capaz de predecir el comportamiento del acero TRIP en la embutición profunda. La chapa de acero ha sido caracterizada tanto químicamente como microestructuralmente. En este último aspecto, se han empleado técnicas de microscopía óptica y por bombardeo de electrones (EBSD), con el fin de tener una caracterización estructural precisa del material. La caracterización química se ha realizado mediante metodología C/S y ICP-OES. El recubrimiento superficial de cinc se ha analizado topográficamente para garantizar su correcta correspondencia al tipo especificado (EBT) mediante macroscopía óptica y perfilometría 3D. La caracterización mecánica básica se ha realizado mediante ensayos de tracción y de anisotropía plástica. No obstante, la complejidad del comportamiento del acero TRIP ha obligado a efectuar la caracterización del material bajo diferentes combinaciones de esfuerzos, conforme a la influencia esperada de los mismos sobre la modificación del comportamiento del material. Por tanto, ha sido necesario el diseño de diversos procedimientos de ensayo para la obtención de la respuesta del material bajo esfuerzos diferentes al de tracción, como el de compresión. Para ello, diversos procedimientos de ensayo han sido evaluados. La validación de dichos procedimientos se ha llevado a cabo mediante el contraste de resultados con aceros de comportamiento conocido. Para reproducir las condiciones del material tras el estirado se han realizado ensayos sobre tiras de chapa en diferentes relaciones de deformación. El material deformado ha sido caracterizado posteriormente mediante ensayos de tracción y compresión. También se ha efectuado un estudio de eficiencia del sistema de estirado de tiras para garantizar que el material obtenido es representativo del proceso de estirado que ocurre en la embutición. Para la correcta generación de las diferentes curvas de respuesta mecánica en las diferentes simulaciones ha sido necesaria la modelización de las mismas en toda la capacidad de deformación del material, esto es, hasta la deformación de desgarro o break, sin efectos adversos como la estricción o el pandeo. Para ello se ha desarrollado un método de extrapolación de la curva entre los puntos críticos UTS y break basado en un proceso retroalimentado y sustentado en la simulación por elementos finitos. Así se ha podido obtener la evolución de las tensiones y deformaciones verdaderas entre el punto UTS y el punto de desgarro. Todos los datos del comportamiento mecánico se han sintetizado en un conjunto de ecuaciones polinómicas que permiten deducir los puntos críticos de la curva de tensiones-deformaciones verdaderas en tracción y en compresión para todas las relaciones de deformación por estirado. Las curvas obtenidas han sido implementadas adecuadamente en los procesos de simulación para la obtención de esfuerzos y deformaciones bajo condiciones de doblado y desdoblado bajo tensión y posterior tracción. Para ello, se han desarrollado simuladores numéricos para las principales etapas de conformado, esto es, estirado, doblado y desdoblado bajo tensión, sobredesdoblado y tracción, sobre los que se han implementado las anteriores ecuaciones de respuesta mecánica. Para la determinación del efecto de la fricción en el doblado bajo tensión se ha diseñado un nuevo complemento de doblado-desdoblado bajo tensión, el cual ha sido acoplado al de estirado de tiras con el fin de deducir los esfuerzos implicados en este proceso: fuerzas de doblado, desdoblado y principalmente de fricción en el doblador. Con él, se han determinado las fuerzas específicas implicadas en el doblado y desdoblado bajo tensión a partir de ensayos experimentales y el análisis teórico-experimental del proceso. El simulador desarrollado se ha basado en el equilibrio de fuerzas y momentos en la sección en los diferentes estados de deformación que ha permitido deducir las fuerzas implicadas. El procedimiento ha posibilitado también la determinación de las deformaciones en los procesos, como cambios de espesor y anchura de la banda, así como el valor de la recuperación elástica o spring-back tras la liberación de esfuerzos. Con la determinación de todos los esfuerzos implicados en el estirado, doblado y desdoblado de tiras bajo tensión, asimilables las acciones que tienen lugar en el proceso de la embutición profunda de chapa, se desarrollado un nuevo simulador que ha permitido a obtener los esfuerzos y deformaciones implicados en el proceso completo de la embutición profunda de copas. Este segundo simulador ha permitido predecir además la deformada de la copa y las tensiones residuales existentes cuando cesan las acciones en el proceso de embutición. La adecuación de los resultados predichos con los experimentales ha sido buena, lo que valida en gran medida el procedimiento deductivo desarrollado.