Analysis of roundness profiles of metal cups after ironing with conventional and adjustable punches

Abstract

[ES] El proyecto aquí presente se llevará a cabo en el laboratorio perteneciente al dpto de Ingeniería Mecánica y Civil, en la subsección de Ingeniería de Fabricación, de la DTU (Tecnical University of Denamrk), con una duración de 15 semanas (aproximadamente cuatro meses), durante el programa de intercambio Erasmus.

Es complementario la Trabajo de Fin de Máster (TFM) desarrollado por Kaarel Siimut en 2022, en colaboración a una empresa externa. En dicho TFM, Siimut desarrolló un punzón para el proceso de planchado de cápsulas, el cual reducía unos micrómetros su diámetro antes de la extracción. De esta manera, la fricción entre el punzón y las paredes de la cápsula es mínimo durante la extracción y se permite que se generen menores tensiones residuales y menor carga aplicada. De aquí en adelante se conocerá como punzón ajustable. A partir del diseño de dicho punzón ajustable, se midieron la redondez de los perfiles circulares interiores de las cápsulas con CMM Zeiss (Coordinate Measurement Machine). Se observó pues, que a diferencia del planchado con un punzón convencional donde la redondez tendía a ser cuatrimodal, utilizando el punzón ajustable la redondez es bimodal (similar a una elipse).

Es por eso que como continuación de dicho proyecto se decide abrir una línea de investigación adicional que estudie más detenidamente los efectos del punzonado sobre el material y el estudio de los diversos factores que ocasionan dicha diferencia en el perfil circular.

Así pues, el objetivo principal es determinar dichos factores. Para ello se diseñarán los experimentos partiendo de un árbol de decisiones inicial y adaptándose a los resultados obtenidos. En función de dichos resultados se diseñarán los siguientes experimentos de forma que el conjunto constituya una línea de investigación coherente. Dado que es un proyecto con unos recursos limitados, puede que sólo llegue a descartarse algunos factores sin llegar a concluir qué factor es el causante. Los factores que se finalmente se abordarán en este Trabajo de Fin de Grado son: 1. Estudio de las posibles imperfecciones en las herramientas que intervienen en los procesos, en especial, estudio del contorno del punzón ajustable. 2. Influencia del material de las cápsulas, donde se analizará el EN 1.4404 y EN 1.4307.: estudio de la anisotropía de dichos materiales. 3. Influencia del propio proceso de fabricación: embutición y planchado.

El procedimiento para llevar a cabo el proyecto es el siguiente: se partirá de unas láminas circulares de 67 mm de diámetro y 1 mm de espesor que pasarán a un conformado en frío: la embutición, de donde la lámina inicial plana se convierte en una cápsula. Tras la embutición se medirá la redondez y se tomaran las coordenadas de 500 puntos alrededor del perfil circular interno y externo de la cápsula a tres diferentes alturas. A continuación, las cápsulas pasarán al proceso de planchado donde se alargarán las paredes estrechándose a su mismo tiempo. Después se procederá también a la medición de la redondez y la toma de los 500 puntos con la CMM.

Para determinar si el factor es propio del material de la cápsula o de la herramienta, se alternará la orientación relativa entre la lámina y la herramienta. Las orientaciones seleccionadas son 0, 45 y 90 grados.

Se llevarán a cabo tantas repeticiones sean necesarias para un mismo material y una misma orientación. Se considerarán válidas y suficientes las repeticiones cuando los resultados sean similares. Se estima que tres repeticiones por material y orientación serán suficientes.

Para el desarrollo de la tesis, la alumna ha aprendido a utilizar las máquinas de embutición y planchado del laboratorio de la DTU, la Máquina de Medición de Coordenadas (CMM) y el software de la misma, ya que el plan de medición requiere de una programación previa para indicar a la máquina dónde se encuentra situada en el espacio la cápsula a medir, qué características geométricas desean ser medidas, y qué pl

[EN] When ironing stainless steel with a conventional, solid punch, the roundness achieved in the cups is quatrimodal (with big ears every 45º). However when deep drawn cups are ironed with the prototype of a new adjustable punch, designed by Kaarel Siimut in 2022, roundness of the cups turned to be bimodal. The goal of this project it to determinate why roundness turns bimodal when using the adjustable punch. At the starting point of the project, it was discussed the different factors that could create this variation in the circular profile. The factors that are addressed in this project are: 1. Possible imperfections in the tools involved in the processes. 2. Influence of the deep drawing and ironing processes itself. 3. Influence of the materials of the cup, where stainless steel known as 1.4404 in European Standards (EN) and EN 1.4307 were analysed. To study the first factor (possible imperfections in the tools involved in the processes), roundness of each of the tools was measured in Zeiss Coordinate Measure Machine (CMM). It was discover that no tool had any significant effect that would create this bimodal roundness. The research then continued by analysing the influence of the deep drawing process by rotating the blank placed in the blankholder by 0°, 45º and 90º relative to a mark traced in the blankholder before a new deep drawing operation. The transformation of the blank to a cup commenced with a circular sheet of 61 mm diameter and 1 mm thick, with a sharp mark at the rolling direction. After deep drawing the cup, its roundness was measured using a scanning strategy with the CMM by recording the coordinates of 500 points at six circular profile at the cup walls: inner and outer surface at three different heights. It was found that after deep drawing roundness was quadratic regardless the material and the orientation set. Later on, the same experiment was conducted but studying the ironing process. The ironing die was marked to set a reference to later rotate the cup. The 0 mark of the cup was rotated 0°, 45°, and 90º relative to the die’s mark. Tools were kept in a constant position and orientation for each repetition, so that only the cup would rotate. Afterwards, roundness of the ironed cups was measured with CMM following the same procedure as deep drawn cups. It was found that for EN 1.4404 roundness was bimodal, whereas for 1.4307 roundness did not follow any specific pattern. This led to think that bimodal roundness was caused by the reduction of the punch’s stiffness when retracting the mandrel combined with a property of the material. Hence, the anisotropy of each material was studied through the tensile strength test in uniaxial load conditions to obtain the normal anisotropy (R-value) for each material. The tensile test specimens were cut forming 0°, 45°, and 90º relative to the rolling direction to obtain the normal anisotropy at each direction. The results showed that 1.4404 had a lower R0 compared to the other directions, in addition to being more anisotropic than 1.4307. This lower R0 created a non-homogeneous thickness distribution after deep drawing at each section parallel to the flange plane. As the adjustable punch suffered a reduction of its stiffness when retracting the mandrel, it would then fit the thickness distribution of the plane at the end of the forward stroke, before the backstroke would be performed. The final conclusion was summed up: the more anisotropic the material is, and the lower the R-value in one direction compared to the others, the higher the likelihood to obtain a bimodal roundness.