ES2942324T3 - Conformado en caliente y templado en troquel - Google Patents
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Abstract
Se describe una herramienta para la formación en caliente de componentes estructurales de acero al boro templados en matriz que tienen microestructuras y propiedades mecánicas localmente diferentes. La herramienta comprende troqueles coincidentes superior e inferior, estando formado cada troquel por dos o más bloques de troquel que comprenden una superficie de trabajo que en uso mira hacia el componente estructural a formar y hacia las caras laterales. Los troqueles superior e inferior comprenden al menos dos bloques de troqueles vecinos adaptados para operar a diferentes temperaturas correspondientes a zonas del componente estructural a formar que tienen microestructuras y propiedades mecánicas localmente diferentes, donde los bloques de troqueles vecinos están dispuestos con un espacio entre sus caras laterales. y las porciones extremas de las caras laterales de los bloques de matriz adyacentes que están cerca de la superficie de trabajo están diseñadas de manera que en uso estén en contacto. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Conformado en caliente y templado en troquel
[0001] La presente solicitud reivindica el beneficio de la solicitud de patente europea EP14382233.6 presentada el 16 de junio de 2014.
[0002] La presente divulgación se refiere a herramientas para el conformado en caliente (y) el templado en troquel (“hot forming (and) die quenching”) para fabricar componentes estructurales de vehículo conformados en caliente con regiones de alta resistencia y regiones de ductilidad incrementada (zonas blandas).
Antecedentes
[0003] La demanda de reducción de peso en la industria automotriz ha llevado al desarrollo e implementación de materiales livianos y procesos y herramientas de fabricación relacionados. La creciente preocupación por la seguridad de los ocupantes también da lugar a la adopción de materiales que mejoran la integridad del vehículo durante un choque al mismo tiempo que mejoran la absorción de energía.
[0004] Un proceso conocido como conformado en caliente y templado en troquel (HFDQ) usa láminas de acero al boro para crear componentes estampados con propiedades de acero de ultra alta resistencia (UHSS), con resistencias a la tracción de hasta 1500 MPa. El incremento en la resistencia permite que se use un material de calibre (“gauge”) más delgado, lo que da como resultado un ahorro de peso en comparación con los componentes de acero dulce (“mild steel”) estampados en frío de forma convencional.
[0005] Los componentes de vehículo típicos que se pueden fabricar usando el proceso HFDQ incluyen: vigas de puerta, vigas de parachoque, travesaños/miembros laterales, refuerzos de pilares A/B y refuerzos de rieles laterales (“wais rail reinforcement”).
[0006] El conformado en caliente de aceros al boro se está volviendo cada vez más popular en la industria automotriz debido a su excelente resistencia y conformabilidad. Muchos componentes estructurales que se conformaban tradicionalmente en frío a partir de acero dulce se están reemplazando por tanto por equivalentes conformados en caliente que ofrecen un incremento significativo en la resistencia. Esto permite reducciones en el grosor del material (y por tanto, en el peso) manteniendo la misma resistencia. Sin embargo, los componentes conformados en caliente ofrecen niveles muy bajos de ductilidad y absorción de energía en la condición en la que han sido formados.
[0007] Para mejorar la ductilidad y la absorción de energía en áreas clave de un componente tal como una viga, es conocido introducir regiones más blandas dentro del mismo componente. Esto mejora la ductilidad localmente mientras mantiene la alta resistencia global requerida. Adaptando localmente la microestructura y las propiedades mecánicas de determinados componentes estructurales de modo que comprendan regiones con resistencia muy alta (muy dura) y regiones con ductilidad incrementada (más blanda), puede ser posible mejorar su absorción de energía global y mantener su integridad estructural durante una situación de choque y también reducir su peso global. Dichas zonas blandas también pueden cambiar de forma ventajosa el comportamiento cinemático en caso de colapso de un componente bajo un impacto.
[0008] Los procedimientos conocidos para crear regiones con ductilidad incrementada (zonas blandas) en componentes estructurales de vehículo implican la provisión de herramientas que comprenden un par de unidades de troquel superior e inferior complementarias, teniendo cada una de las unidades elementos de troquel separados (bloques de acero). Los elementos de troquel están diseñados para trabajar a diferentes temperaturas, para tener diferentes tasas de enfriamiento en diferentes zonas de la pieza que se está conformando durante el proceso de templado y dar como resultado de este modo diferentes propiedades del material en el producto final (áreas blandas). Por ejemplo, se puede enfriar un elemento de troquel para templar el área correspondiente del componente que se está fabricando a altas tasas de enfriamiento y reduciendo rápidamente la temperatura del componente. Otro elemento de troquel adyacente puede incluir elementos de calentamiento para garantizar que la parte correspondiente del componente que se está fabricando se enfríe a menor tasa de enfriamiento y por tanto, permanezca a temperaturas mayores que el resto del componente cuando sale del troquel.
[0009] Un problema relacionado con este tipo de fabricación es que cuando los elementos de troquel que trabajan a diferente temperatura se tocan entre sí, puede estar presente un gran diferencial de temperatura, lo que crea un flujo de calor desde un elemento de troquel caliente a un elemento de troquel frío. El elemento de troquel caliente se vuelve por tanto ligeramente más frío y el elemento de troquel más frío se vuelve ligeramente más caliente. El resultado puede ser que se cree una zona de transición relativamente amplia entre una zona blanda y una zona dura del componente. Por tanto, el comportamiento y las características del componente pueden estar menos definidos.
[0010] Una solución a este problema puede ser separar físicamente y aislar térmicamente los elementos del troquel entre sí, por ejemplo, proporcionando un hueco libre entre ellos y/o proporcionando un material aislante en el hueco. El documento US3703093 describe dichos procedimientos y herramientas. Los defectos de fabricación, por ejemplo, arrugas u otras irregularidades en el componente conformado final, pueden aparecer por tanto en aquellas áreas del producto que no están correctamente soportadas o en contacto con los elementos del troquel.
[0011] Otros procedimientos conocidos crean regiones con ductilidad incrementada calentando con un láser. Pero estos procedimientos son bastante lentos y engorrosos ya que el calentamiento con láser se lleva a cabo después de un proceso HFDQ.
[0012] Es un objetivo de la presente invención proporcionar herramientas mejoradas para fabricar componentes estructurales de vehículo conformados en caliente con regiones de alta resistencia y otras regiones de ductilidad incrementada (zonas blandas).
Breve explicación
[0013] El objetivo anterior se logra por una herramienta que tiene las características de la reivindicación 1.
[0014] De acuerdo con este aspecto, el hecho de que las partes extremas de las caras laterales estén en contacto cuando operan garantiza que toda la pieza en bruto esté en contacto con un bloque de troquel cuando se está conformando. Esto significa que no hay porciones sin soporte de la pieza en bruto, lo que evita o al menos reduce por tanto los defectos de fabricación tales como, por ejemplo, arrugas u otras irregularidades en el componente conformado final. Al mismo tiempo, el hueco entre las caras laterales proporciona aislamiento térmico entre los bloques de troquel, lo que reduce por tanto el flujo de calor entre los bloques de troquel adyacentes, es decir, se puede lograr una zona de transición relativamente estrecha, proporcionando por tanto un componente con zonas sustancialmente bien definidas, y al mismo tiempo se pueden evitar o al menos reducir las irregularidades.
[0015] En algunos ejemplos, el hueco se puede llenar al menos parcialmente con un material aislante. Esto potencia las propiedades aislantes del hueco entre los bloques de troquel adyacentes adaptados para operar a diferentes temperaturas, potenciando por tanto las propiedades técnicas de cada zona del componente conformado.
[0016] En algunos de estos ejemplos, las partes extremas de las caras laterales de los bloques de troquel adyacentes, opuestas a las partes extremas que están cerca de la superficie de trabajo, también pueden estar diseñadas de modo que en uso estén en contacto. Esto potencia la provisión del material aislante dentro del hueco.
[0017] En algunos ejemplos, una superficie de los bloques de troquel opuesta a la superficie de trabajo puede estar soportada por una placa de enfriamiento que tiene un sistema de enfriamiento que puede proporcionarse en correspondencia con los bloques de troquel adaptados para operar a una temperatura mayor. Esto evita o al menos reduce el calentamiento de la estructura de soporte de troquel.
Breve descripción de los dibujos
[0018] A continuación se describirán ejemplos no limitantes de la presente divulgación con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
la figura 1 muestra una parte de una herramienta para fabricar componentes estructurales conformados en caliente de acuerdo con un ejemplo;
la figura 2 muestra una parte similar de una herramienta para fabricar componentes estructurales conformados en caliente de acuerdo con otro ejemplo;
la figura 3 muestra una parte de una herramienta para fabricar componentes estructurales conformados en caliente de acuerdo con aún otro ejemplo; y
la figura 4 muestra un troquel inferior o superior visto desde el otro troquel inferior o superior de acuerdo con un ejemplo.
Descripción detallada de ejemplos
[0019] La figura 1 muestra una parte de una herramienta para fabricar componentes estructurales conformados en caliente de acuerdo con un ejemplo. La herramienta puede comprender troqueles coincidentes ("mating”) superior e inferior. En la figura 1 solo se muestra un troquel inferior 10. El troquel inferior 10 puede comprender dos bloques de troquel adyacentes 11 y 12 adaptados para operar a diferentes temperaturas. Por ejemplo, el bloque de troquel 11 puede comprender una fuente de calor para adaptarse para lograr temperaturas mayores ("bloque caliente") que el bloque de troquel 12 que puede comprender un sistema de enfriamiento para adaptarse
para lograr temperaturas menores ("bloque frío") que el bloque de troquel 11. En otros ejemplos, se pueden proporcionar más bloques de troquel en una sola herramienta (y en cada troquel coincidente) y también se pueden prever otras formas de adaptar los bloques para operar a temperaturas menores o mayores.
[0020] A lo largo de la presente descripción y las reivindicaciones, se puede entender en general temperaturas mayores como temperaturas que entran dentro del intervalo de 350 - 550 °C y se puede entender temperaturas menores como temperaturas que entran dentro del intervalo por debajo de 200 °C.
[0021] En el ejemplo de la figura 1, los bloques de troquel 11 y 12 pueden comprender cada uno una superficie de trabajo 111 y 121 que en uso puede estar en contacto con una pieza en bruto 20 que se va a conformar y las caras laterales 112 y 122. Entre las caras laterales 112 y 122 de los bloques adyacentes 11 y 12, se puede proporcionar un hueco 13 y los bloques de troquel 11 y 12 pueden estar diseñados además de modo que las partes extremas 113 y 123 de las caras laterales 112 y 122 que están cerca de las superficies de trabajo 111 y 121 estén en contacto cuando se calientan. Esto significa que cuando la herramienta no se está usando y los bloques aún no están calientes, también puede existir un hueco entre las partes extremas 113 y 123 para permitir la expansión de los bloques cuando se calientan de modo que cuando se calientan (expanden) las partes extremas 113 y 123 estén en contacto.
[0022] En el ejemplo mostrado en la figura 1, el hueco 13 puede estar completamente lleno con un material aislante 14. En ejemplos alternativos, el hueco se puede llenar parcialmente con un material aislante (véase la figura 3) o incluso puede estar "vacío", es decir, lleno de aire.
[0023] En otros ejemplos, se han usado los mismos signos de referencia para indicar las mismas piezas o componentes.
[0024] La figura 2 muestra una parte de una herramienta para fabricar componentes estructurales conformados en caliente de acuerdo con otro ejemplo. El ejemplo de la figura 2 difiere del de la figura 1 en que las partes extremas 114 y 124 de las caras laterales 112 y 122 de los bloques adyacentes 11 y 12 que están opuestos a las partes extremas 113 y 123, también pueden estar diseñados de modo que en uso estén en contacto. De esta forma, de forma similar a como se explica anteriormente en relación con la figura 1, antes de calentar los bloques 11 y 12, se puede proporcionar un hueco (no mostrado) entre las partes extremas 114 y 124 para permitir la expansión de los bloques 11 y 12, cuando se calientan. En este ejemplo, se puede dejar un rebajo 13' entre las caras laterales 112 y 122 de los bloques de troquel adyacentes 11 y 12. El rebajo 13' también se puede llenar completamente con un material aislante 14 como se explica en relación con la figura 1 o se puede llenar parcialmente o incluso estar "vacío", es decir, lleno de aire. En otros ejemplos, el rebajo puede estar conformado como una abertura o hendidura en una cara lateral de los bloques, es decir, el rebajo no se puede proporcionar necesariamente en toda la longitud o ancho de una cara lateral.
[0025] La figura 3 muestra una parte de una herramienta para fabricar componentes estructurales conformados en caliente de acuerdo con aún otro ejemplo. El ejemplo de la figura 3 difiere del de la figura 2 en que se pueden proporcionar tres bloques de troquel 11, 12, 15. Los bloques 12 y 15 se pueden adaptar para operar a una temperatura menor ("bloques fríos") y el bloque 11 que puede estar dispuesto entre los bloques 12 y 15, se puede adaptar para operar a una temperatura mayor ("bloque caliente"). Los bloques de troquel 11 y 12 y los bloques de troquel 11 y 15 se pueden considerar como bloques adyacentes. De forma similar a lo que se explicó para los bloques de troquel 11 y 12 en relación con la figura 1, el bloque de troquel 15 también puede comprender una superficie de trabajo 151 que en uso puede estar en contacto con una pieza en bruto 20 que se va a conformar y las caras laterales 152. Entre las caras laterales 112 y 152 de los bloques adyacentes 11 y 15, también se puede proporcionar una separación (hueco) y los bloques de troquel 11 y 15 también pueden estar diseñados de modo que las partes extremas 113 y 153 de sus caras laterales 112 y 152 que están cerca de sus superficies de trabajo 111 y 151 estén en contacto cuando se calientan.
[0026] En el ejemplo mostrado en la figura 3 y de forma similar a lo que se explicó para los bloques de troquel 11 y 12 en relación con la figura 2, las partes extremas 114 y 154 de las caras laterales 112 y 152 de los bloques adyacentes 11 y 15 que son opuestas a las partes extremas 113 y 153 también pueden estar diseñadas de modo que en uso estén en contacto.
[0027] El ejemplo muestra en la figura 3 también difiere del de la figura 2 en que la separación proporcionada entre las superficies laterales 112 y 122 (o 112 y 152) de los bloques de troquel adyacentes 11 y 12 (o 11 y 15) puede no llenarse totalmente con material aislante 14', pero se puede dejar un hueco 13" entre cada superficie lateral 112 y 122 (o 112 y 152) y el material aislante 14'. El hueco 13" puede estar realmente lleno de aire, que también puede actuar como aislante.
[0028] En la figura 3, los bloques de troquel 12 y 15 que se adaptan para operar a temperaturas menores ("bloques fríos") pueden estar provistos de un sistema de enfriamiento que comprende canales de enfriamiento 16 para circulación de, por ejemplo, agua fría o cualquier otro fluido de enfriamiento. También se pueden prever otras alternativas para adaptar los bloques de troquel para operar a temperaturas menores (por debajo de 200 °C).
[0029] En la figura 3, el bloque de troquel 11 que se adapta para operar a temperaturas mayores ("bloque caliente") puede estar provisto de calentadores eléctricos 17 y sensores de temperatura 18 para controlar la temperatura del bloque de troquel 11. También se pueden prever otras alternativas para adaptar el bloque de troquel para operar a temperaturas mayores (entre 350 y 550 °C), por ejemplo, calentadores de cartucho incorporados. Los sensores pueden ser termopares.
[0030] Además, el troquel inferior 10' mostrado en la figura 3 puede estar soportado por una placa de enfriamiento 30 que comprende un sistema de enfriamiento 31 dispuesto en correspondencia con el bloque de troquel 11, es decir, el "bloque caliente". El sistema de enfriamiento puede comprender canales de enfriamiento para circulación de agua fría o cualquier otro fluido de enfriamiento para evitar o al menos reducir el calentamiento de la estructura de soporte de troquel.
[0031] Un producto final estructural conformado hecho con un troquel que tiene troqueles superior e inferior sustancialmente como se describe en relación con la figura 3 da como resultado un componente que tiene las zonas que se conformaron en contacto con los bloques 12 y 15 ("bloques fríos") que tiene un límite elástico incrementado y la zona que se conformó en contacto con el bloque 11 ("bloque caliente") que tiene propiedades de absorción de energía mejoradas. Por tanto, se logra la conservación de una integridad estructural del componente bajo cargas dinámicas altas, por ejemplo, un choque.
[0032] Aunque el ejemplo de la figura 3 comprende un bloque caliente 11 dispuesto entre dos bloques fríos 12, 15, también pueden ser posibles otras configuraciones. Por ejemplo, un bloque caliente puede estar rodeado de bloques fríos en sus cuatro lados, considerándose bloques cuadrados o rectangulares y también puede estar dispuesto junto a otro bloque caliente definiendo una "zona caliente" mayor. En otros ejemplos que implican bloques cuadrados y rectangulares, tres lados pueden tener bloques fríos adyacentes o incluso solo un lado, dependiendo de la geometría y las propiedades mecánicas de la pieza que se va a conformar.
[0033] Se debe entender que aunque las figuras describen bloques (bloques fríos y calientes) que tienen una forma sustancialmente cuadrada o rectangular, los bloques pueden tener cualquier otra forma (véanse los bloques E3-E8 de la figura 4) e incluso pueden tener formas parcialmente redondeadas siempre que los bloques consecutivos tengan lados complementarios por lo que se pueden ensamblar como si fueran piezas de un rompecabezas formando los troqueles superior e inferior.
[0034] Además, cada troquel superior e inferior que forma una herramienta para fabricar componentes estructurales conformados en caliente puede estar conformado por una pluralidad de bloques de troquel que pueden ser intercambiables. Por ejemplo, cualquier zona que tiene un bloque frío se puede cambiar a una zona que tiene un bloque caliente y viceversa para cambiar el componente que se va a conformar y/o sus propiedades mecánicas.
[0035] La figura 4 muestra un troquel inferior o superior 40 visto desde el otro troquel inferior o superior de acuerdo con un ejemplo. El ejemplo de la figura 4 muestra un troquel 40 para estampar en caliente una parte inferior de un pilar B. En este ejemplo, el troquel 40 puede comprender ocho elementos de troquel E1-E8. Cada elemento de troquel puede comprender una pluralidad de termopares 41 (representados por puntos negros). Los bloques que implican más termopares pueden ser aquellos diseñados para estampar cambios en la geometría del componente conformado en caliente. En ese sentido, en geometrías planas solo se pueden usar uno o dos termopares (véase el bloque E1) mientras que geometrías más complejas usan más termopares.
[0036] Cada termopar 41 puede definir una zona de la herramienta que opera a una temperatura predefinida. Además, cada termopar 41 puede estar asociado a un calentador o grupo de calentadores para establecer la temperatura de esa zona. La cantidad total de potencia por zona (bloque) puede limitar la capacidad de agrupar calentadores juntos.
[0037] Los termopares pueden estar asociados con un panel de control. Cada calentador o grupo de calentadores se puede activarse por tanto independientemente de los otros calentadores o grupo de calentadores incluso dentro del mismo bloque. Por tanto, usando un programa informático adecuado, un usuario podrá establecer los parámetros clave (potencia, temperatura, límites de temperatura establecidos, encendido/apagado del flujo de agua) de cada zona dentro del mismo bloque.
[0038] Por ejemplo, en la figura 4, se pueden proporcionar veinticuatro termopares 41 en ocho bloques E1-E8 formando cualquiera de los troqueles superior o inferior. En este caso, cada troquel puede comprender veinticuatro zonas (o termopares) y una herramienta completa (para esta parte del pilar B) puede implicar por tanto cuarenta y ocho zonas. En este caso, el programa informático puede controlar hasta cuarenta y ocho zonas diferentes (independientes). Esto permite un control muy preciso de la temperatura en cada zona dentro de un mismo bloque, en algunos ejemplos incluso del orden de 0,1 °C.
[0039] El programa informático puede además conectar o al menos relacionar diferentes termopares. Al hacer esto, si un termopar no trabaja correctamente, se puede vincular con el termopar más cercano. Esto solo es posible si estos termopares trabajan a la misma temperatura o sustancialmente similar, independientemente de si pertenecen al mismo bloque o se proporcionan en bloques de troquel adyacentes.
[0040] En algunos ejemplos, el material aislante puede ser un material cerámico, por ejemplo, un papel de fibra refractaria cerámica. En un ejemplo, el material aislante puede ser una composición de cerámica biodegradable de alto rendimiento, fibras inorgánicas, rellenos y aglutinantes orgánicos tales como lana de roca y celulosa, rellenos de silicato y aglutinantes orgánicos.
[0041] En los ejemplos descritos anteriormente, el troquel superior puede tener una configuración sustancialmente similar o incluso igual a la mostrada para el troquel inferior para cooperar con el troquel inferior.
[0042] Aunque solo se han divulgado en el presente documento un número de ejemplos, son posibles otras alternativas, modificaciones, usos y/o equivalentes de los mismos. Además, también se cubren todas las posibles combinaciones de los ejemplos descritos. Por tanto, el alcance de la presente divulgación no se debe limitar por ejemplos particulares, sino que solo se debe determinar por una lectura imparcial de las reivindicaciones que siguen.
Claims (1)
- REIVINDICACIONES1. Una herramienta para el conformado en caliente y templado en troquel de componentes estructurales de acero al boro que tienen microestructuras y propiedades mecánicas localmente diferentes, comprendiendo la herramientatroqueles coincidentes superior e inferior (10; 10'; 40) para estampar un componente, estando formado cada troquel por dos o más bloques de troquel (11; 12; 15; E1-E8) que comprenden una superficie de trabajo (111; 121; 151) que en uso se orienta al componente estructural (20) que se va a estampar y las caras laterales (112; 122; 152),comprendiendo los troqueles superior e inferior (10; 10'; 40) al menos dos bloques de troquel adyacentes (11; 12; 15) adaptados para operar a diferentes temperaturas correspondientes a zonas del componente estructural que se va a conformar que tienen microestructuras y propiedades mecánicas localmente diferentes, en la que los bloques de troquel adyacentes (11; 12; 15) en uso están dispuestos con un hueco (13; 13") entre sus caras laterales (112; 122; 152),caracterizada por que las partes extremas (113; 123; 153) de las caras laterales (112; 122; 152) de los bloques de troquel adyacentes que están cerca de la superficie de trabajo (111; 121; 151) están diseñadas de modo que en uso estén en contacto.2. Una herramienta de acuerdo con la reivindicación 1, en la que las caras laterales (112; 122; 152) de los bloques adyacentes (11; 12; 15) comprenden un rebajo (13').3. Una herramienta de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, en la que el hueco (13; 13") y/o el rebajo (13') se llenan al menos parcialmente con un material aislante (14; 14').4. Una herramienta de acuerdo con la reivindicación 3, en la que el material aislante (14; 14') es un material cerámico.5. Una herramienta de acuerdo con la reivindicación 4, en la que el material cerámico es papel cerámico. 6. Una herramienta de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 3-5, en la que las partes extremas (114;124; 154) de las caras laterales (112; 122; 152) de los bloques de troquel adyacentes (11; 12; 15), opuestas a las partes extremas (113; 123; 153) que están cerca de la superficie de trabajo (111; 121; 151), también están diseñadas de modo que en uso estén en contacto.7. Una herramienta de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 -6, en la que los bloques de troquel (12;15) adaptados para operar a una temperatura menor comprenden un sistema de enfriamiento (16).8. Una herramienta de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 -7, en la que los bloques de troquel (11) adaptados para operar a una temperatura mayor comprenden calentadores (17) y sensores (18) para controlar una temperatura de los bloques de troquel (11).9. Una herramienta de acuerdo con la reivindicación 8, en la que los sensores son termopares (41) asociados con uno o más de los calentadores.10. Una herramienta de acuerdo con la reivindicación 9, en la que los calentadores asociados con un solo termopar o grupo de termopares se pueden activar independientemente.11. Una herramienta de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-10, en la que una superficie de los bloques de troquel opuesta a la superficie de trabajo (111; 121; 151) está soportada por una placa de enfriamiento (30) que tiene un sistema de enfriamiento (31) provisto en correspondencia con los bloques de troquel (11) adaptados para operar a una temperatura mayor.
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