Simulaciones de acero AHSS para el diseño de automóviles

1. Qué debe vigilar en los bordes de acero AHSS cortados y estirados

Vamos a comenzar por el principal problema que se presenta al realizar simulaciones de conformado para aceros AHSS: el estiramiento de los bordes cortados. Debe estar atento a cualquier situación en la que aprecie tensiones mecánicas en bordes cortados.

El diagrama de límite de conformado no se puede utilizar como guía para el estiramiento de bordes, y esto se debe a que cuando sometemos el material a ensayo en el laboratorio y creamos la curva de límite de conformado no estamos sometiendo a ensayo el acero AHSS en el borde cortado, sino en el centro, en el cuerpo de la chapa.

Tampoco existe ninguna correlación entre la ductilidad de bordes y los valores de elongación, por lo que el gráfico de ‘curva de banana’ del acero AHSS no se puede usar para evaluar la ductilidad de bordes.

Un factor que influye enormemente en la ductilidad de bordes del acero AHSS es cómo se ha diseñado la herramienta. En el Knowledge Service Center de SSAB sometemos a ensayo nuestros aceros AHSS Docol® para la industria automotriz con el objetivo de determinar la distancia de corte óptima para cada calidad.

Pero lo que hace que las simulaciones con los aceros AHSS sean aún más complicadas es que la ductilidad de bordes cambia durante la producción en serie debido al desgaste de la herramienta de corte. Algunos programas de simulación han empezado a incluir maneras de tener en cuenta el estiramiento de bordes y proporcionan valores predeterminados para bordes cortados con láser, siendo estos los más grandes, seguidos de bordes nuevos punzonados y, después, bordes punzonados desgastados.

Por lo tanto, en las simulaciones con aceros AHSS, se prestó atención:

• Al lugar donde se estira el borde
• A la cantidad de estiramiento del borde
• Al tipo de estiramiento del borde

2. Realizar ensayos prácticos para validar la tensión de los bordes cortados del acero AHSS

Existen muchas maneras de generar diferentes comportamientos y gradientes de tensión en los aceros AHSS: en el plano de chapa, en la dirección del espesor y también en la resistencia y concentración a lo largo del borde cortado en sí.

SSAB creó un ensayo práctico, el ensayo de plegado doble, que comprueba el ángulo máximo de plegado del acero AHSS antes de que se agriete.

Tomamos los resultados obtenido con el ensayo de plegado doble y los comparamos con los de ensanchamiento de agujeros. Y pueden existir grandes diferencias entre los ensayos en los niveles de tensión aceptables. Por ejemplo, un acero 980 de fase dual (DP) de 1 mm de espesor puede soportar una tensión máxima del 46% en el ensayo de ensanchamiento de agujeros, pero solo del 11% en el ensayo de plegado doble.

 

3. Busque las principales tensiones que cruzan zonas del acero AHSS pre-tensadas

El ensayo de ensanchamiento de agujeros ISO 16630 para la ductilidad de bordes se lleva a cabo sin pre-tensión en una muestra de acero AHSS. En realidad, es normal que la chapa de acero AHSS se pre-tense antes del corte y el estiramiento final de los bordes cortados. Resulta complicado diseñar ensayos generales para estas situaciones, ya que es difícil pre-tensar una muestra grande (100 x 100 mm) para el ensayo de coeficiente de ensanchamiento de agujeros (HER, por sus siglas en inglés). ¿Cómo puede predecir la capacidad del acero AHSS para esta situación?

En lugar de depender únicamente del ensayo HER, puede simular la pieza y vigilar las principales tensiones que cruzan zonas pre-tensadas. Si encuentra alguna, tendrá algunas opciones. Puede decidir cambiar el material por una calidad de acero AHSS con una mejor ductilidad de bordes cortados para disfrutar de un margen de seguridad adicional. O podría ajustar su diseño para mantener la pre-tensión en un nivel inferior. O intentar trasladar la pre-tensión a otra zona donde la tensión final de la pieza sea menor.

4. Pedir a que SSAB determine los niveles de tensión durante el plegado

El diagrama de límite de conformado (FLD) es válido para elementos que presentan la misma tensión en toda su espesor. Pero al plegar acero AHSS, se producirán tensiones en el exterior, compresión en el interior y en el centro se formará una capa neutra no deformada. Si utiliza la vista estándar en las simulaciones, estará viendo la capa neutra.

Pero debería fijarse en la cantidad de tensión de la capa exterior de la chapa. Pero al hacerlo, no debería utilizar el diagrama de límite de conformado para determinar el fallo de la superficie exterior, ya que esto puede generar un resultado excesivamente conservador.

Entonces, ¿qué niveles son seguros para el plegado del acero AHSS? Es el cliente quién debe pedirnos estos valores. Por ejemplo, sometimos el acero Docol® 1400M de 2 mm de espesor a ensayo en nuestro laboratorio para un cliente alemán. Al plegarlo, medimos una tensión del 18%, que es mucho mayor que la tensión del 10% que obtenemos de la curva límite de conformado para este material en el estado de misma tensión en todo su espesor (ensayo del diagrama límite de conformado).

5. Utilizar simulaciones de conformado incremental para detectar fenómenos como la flexión y el enderezado

Si pliega cualquier metal y luego lo vuelve a plegar hacia atrás en la dirección opuesta, y sigue haciéndolo una y otra vez, el metal acabará por romperse, ya que habrá acumulado daños en el material. Este comportamiento no puede ser detectado por la curva límite de conformado y es difícil de modelar.

Por ejemplo, teníamos un cliente cuyas simulaciones no mostraban problemas en el conformado del acero AHSS, no había tensiones que superaran el límite. Y aún así, se produjeron grietas durante la producción. Por lo tanto, realizamos una simulación de conformado incremental que ofrecía un resultado especial denominado ‘tensión acumulada’ (vea la imagen).

 

6. Tenga cuidado de no depender excesivamente de las altas tolerancias mecánicas de los aceros AHSS

A veces escuchamos el argumento de que cualquier inestabilidad en la producción se debe a la variación de materiales. No cabe duda de que resulta importante trabajar con materiales de acero AHSS con unas propiedades constantes, pero esa no es la situación general.

De hecho, realizamos análisis de repetibilidad en los que se comparan nuestras calidades de Docol^® con las calidades generales de la VDA. En un caso, analizamos una simple brida fabricada con acero AHSS 980 de fase compleja (CP) con una tolerancia de ± 1° de acuerdo con la norma VDA 239. Puede ver el proceso de análisis completo en nuestro seminario web bajo demanda titulado: Simulaciones de acero AHSS para diseños de automóviles: 10 factores principales.

El análisis demostró que esa pieza en concreto fabricada con Docol^® 980 CP tenía una probabilidad 628 veces menor de estar fuera de tolerancia frente a una fabricada con el 980 CP de la VDA general debido a las mayores tolerancias mecánicas del material de Docol^® .

Siempre es deseable que el material presente una alta homogeneidad, especialmente en aplicaciones de acero AHSS/UHSS/Gigapascal que dependen realmente de tolerancias mecánicas estrechas. Pero resulta arriesgado diseñar piezas de acero AHSS que solo dependan de una alta tolerancia mecánica. Existen muchos otros factores que entran en juego durante la producción: variaciones de proceso, desgaste de las herramientas, lubricación, etc.

Lo que nos gusta decir es que el parámetro más importante para que un proceso AHSS sea muy repetible es disponer de diseño de pieza robusto, aprovechando al máximo las geometrías de gran rigidez, los radios pequeños, el uso estratégico de ganadores, etc.

 

7. Optimice el diseño de conformado para el acero AHSS

Para optimizar el diseño de conformado, debe tener en cuenta numerosos parámetros, incluida la viabilidad, la repetibilidad, la prensa disponible y el desgaste de la herramienta.

En nuestro seminario web sobre Simulaciones, puede ver cómo estimulamos la misma pieza de un automóvil de acero AHSS utilizando tres enfoques de conformado diferentes: Estiramiento + Brida; Brida + Leva y Brida con Levas.

Para este diseño de miembro lateral en concreto, la simulación de Estiramiento + Brida produce un efecto de recuperación elástica de 10 mm como máximo y ofrece un buen aspecto. La simulación de Brida + Leva tiene un efecto de recuperación elástica de 13 mm como máximo, pero presenta problemas de tolerancia en el radio de la superficie convexa. La simulación de Brida con Levas sufre tensiones elevadas en los bordes cortados y grandes desviaciones en la precisión de la forma debido a los radios plegados.

8. Las simulaciones de arrugamiento son posiblemente demasiado conservadoras

En las piezas de acero AHSS con bridas de borde muy comprimidas y sin posibilidad de utilizar un soporte para la pieza en bruto, debe simular la pieza para intentar detectar el arrugamiento. Aquí se muestra una pieza fabricada con acero AHSS de 4 mm de espesor. Simulamos esta pieza utilizando tres enfoques distintos para compararla con los prototipos reales:

1. Una simulación realizada con elementos de refuerzo y sin contacto propio ofreció un resultado con baja capacidad para recuperarse una vez que se aparece el pliegue. Pero en la realidad no muestra arrugamiento después del conformado.
2. Una simulación utilizando elementos sólidos y sin contacto propio. Este resultado se acercó más a la realidad, pero aún existía arrugamiento después del conformado.
3. Una simulación utilizando elementos sólidos y contacto propio. Esto ofreció un buen resultado coherente con la realidad.

Para las simulaciones de estampado de acero AHSS, el enfoque más común es utilizar un elemento de refuerzo sin contacto propio. Para determinar la tendencia al arrugamiento, este es un tipo de elemento muy conservador. Como mínimo, lo que puede decir es que si no se produce arrugamiento al utilizar elementos de refuerzo sin contacto propio, el resultado real no presentará arrugamiento. Sin embargo, tal y como se ha demostrado en este ejemplo, este enfoque puede establecer algunos límites, para una pieza de acero AHSS, que no están realmente presentes.

9. ¿Detecta su simulación con acero AHSS las fuerzas de reacción de la chapa que podrían resultar en la apertura de la herramienta?

Al utilizar aceros AHSS/UHSS/Gigapascal, la fuerza de reacción de la chapa aumentará cuando se utilicen soportes para piezas en bruto. Y si la fuerza de reacción del acero AHSS es mayor que la del soporte para piezas en bruto, se producirá la apertura de la herramienta. Esto resultará en un proceso muy descontrolado: pueden producirse arrugamiento y grietas, así como una correlación muy baja entre su simulación con acero AHSS y la realidad.

Así que, compruebe exhaustivamente que las fuerzas en los soportes de las piezas en bruto y las almohadillas son suficientes. Algunos programas de simulación permiten detectar la fuerza de reacción de la chapa de acero AHSS durante la apertura de la herramienta. Algunos programas de software aumentan la fuerza del soporte para piezas en bruto para mantener las herramientas cerradas, pero es extremadamente importante comprobar si esto ocurre o no en su programa de simulación.

10 Tener en cuenta las deformaciones no lineales

Es importante tener en cuenta el fallo no lineal, ya que la curva de límite de conformado se ha desarrollado para trayectorias de tensión lineal, lo que significa que el conformado tiene lugar de una sola manera hasta que se produce el fallo.

Esto quiere decir que cuando se conforma y se vuelve a conformar una zona de una pieza de acero AHSS, como ocurre por ejemplo en una herramienta de conformado de varios etapas, se llega a una situación que no es similar a la curva límite de conformado. Y el resultado puede ser, en realidad, mejor o peor, dependiendo de la trayectoria de deformación.

Algunos programas de simulación pueden tener en cuenta las deformaciones no lineales. Por ejemplo, AutoForm tiene un diagrama de conformado no lineal que calcula y transforma las tensiones no lineales y las asigna en el diagrama límite de conformado. Esto puede resultar muy útil cuando se utiliza el conformado de varias etapas e incluso a veces cuando se realiza el conformado en una sola etapa, como en el siguiente ejemplo.

En la imagen de la izquierda se muestra el diagrama límite de conformado trazado sobre la pieza de acero AHSS (en este caso, fabricada con Docol^® 1000DP) con una zona de color rojo para indicar que las tensiones se encuentran por encima del límite de conformado. Sin embargo, en la imagen de la derecha se muestra el resultado no lineal (transformado) que indica que la pieza es correcta.