SIMULACION COMPUTACIONAL DE UN ENSAYO
ERICHSEN APLICADO A UNA CHAPA DE ACERO DC06

Antunez,N(1); Martynenko,V (1); Abate,G(1); Perez,D(1); Chiapparoli,W(2); Martinez Krahmer,D(1).
(1)
INTI Mecánica, (2) Instituto Argentino de Siderurgia
nantunez@inti.gob.ar


Introducción
Este trabajo se inserta en el marco de un
plan de beca, que tiene por objeto comenzar a
desarrollar un grupo de estampado de chapa.
Para ello, se aunaron las capacidades del
laboratorio de ensayos mecánicos del IAS, con
las de simulación de INTI-Mecánica. Esta tarea
tiene la importancia de ser la primera de su tipo
dentro del grupo, además de haber sido hecha
en forma colaborativa. Asimismo, y si bien
existen diversas investigaciones publicadas
que muestran la utilidad de los softwares de
simulación, uno de los trabajos esenciales
consiste en contrastar experimentalmente los
resultados que entregan. De esta forma, se
conoce la confiabilidad del software, y este fue
el enfoque adoptado en el presente trabajo.

Objetivos
- Realizar ensayos Erichsen sobre una
chapa DCO6, con la finalidad de obtener la
carga de estirado y el perfil de espesores
sobre la copa.
- Efectuar ensayos pin-on disc para
establecer el coeficiente de fricción a ser
empleado en las distintas simulaciones.
- Diseñar el modelo CAD 3D del ensayo.
- Simular el ensayo Erichsen.
- Comparar los valores obtenidos.

Descripción
El desarrollo del trabajo se dividió en dos
partes. La primera, correspondiente a la
caracterización del ensayo, y la segunda, al
proceso de simulación.
El ensayo Erichsen fue realizado sobre una
chapa de 0,7mm de espesor nominal, de un
acero tipo DC-06 base IF, es decir, un material
con alta capacidad de deformación, usado en el
estampado de diferentes piezas en la industria.
La probeta (chapa rectangular de 90 mm de
ancho por 170 mm de longitud) se aseguró
dentro de la máquina a través de un
prensachapa, a continuación, el punzón de 20
mm de diametro descendió a una velocidad de
2 mm/s 9mm a partir del contacto con la chapa.
Seguidamente, se cortó la chapa ensayada
mediante electroerosión por hilo paralelamente
al plano transversal a la zona deformada y
perpendicularmente a la dirección de
laminación. Posteriormente, fueron medidos los
espesores de dicho perfil utilizando un sistema
de medición óptico de apreciación centesimal.
Figura 1: Chapa embutida, entregada por el IAS

En relación al proceso de simulación, se utilizó
el modulo Sheet Forming del software
Simufact.Forming. En éste se ingresaron los
parámetros correspondientes: geometrías de la
chapa, punzón, matriz y prensachapa,
temperatura del proceso (ambiente), se
seleccionó una prensa hidráulica con velocidad
de avance de 2 mm/s, se estableció la presión
del prensachapa de 1.1 N/mm2 y en relación al
material se utilizó uno de la biblioteca de
composición química similar modificando
puntos de fluencia y anisotropía teniendo en
cuenta la dirección de laminación (paralela al
eje Y) a fin de igualarlos al material ensayado.
Finalmente se realizó el mallado de la pieza a
ensayar, utilizando una malla de tipo
SheetMesh de elementos hexaédricos con un
refinamiento de dos grados.

Figura 2: Modelo CAD 3D del ensayo Erichsen

Un parámetro a considerar al momento de la
simulación fue el coeficiente de rozamiento
entre el punzón y la chapa. Conociendo el tipo
de lubricante (grasa grafitada), y el modo de
aplicación, se realizó un ensayo Pin on Disk
para obtener dicho valor.

Para esto, se obtuvieron mediante corte por
router CNC discos de geometría normalizada, y
se mecanizaron cuatro punzones de acero SAE
H13, los cuales adquirieron una dureza de 62
HRC luego de ser templados y revenidos.
Se realizaron cuatro ensayos aplicándose en
dos la lubricación solo sobre el punzón, y en los
restantes sobre el punzón y la chapa; de los
valores obtenidos se calculó el promedio,
arrojando un coeficiente de rozamiento de 0,15.
La modalidad del ensayo fue ésta ya que, si
bien en el test Erichsen solo se lubrica el
punzón, el desplazamiento por estiramiento de
la superficie de la chapa, provoca que el
lubricante se desplace junto con la chapa.
Figura 3: Anillos y punzones usados en el pin-on disk


Resultados
Terminado el proceso de simulación, se efectuó
una comparación entre los resultados
obtenidos respecto a los medidos en la chapa
real. En este análisis fueron considerados: la
variación de espesor de la chapa en diferentes
puntos de la copa, así como el valor máximo de
la fuerza del punzón.
En cuanto a la fuerza del punzón, el valor
arrojado por el software resultó muy próximo al
experimental, 1178,6 kg contra 1250 kg, una
diferencia del – 5,7%.
Respecto a los espesores, la situación fue
similar. Los valores numéricos obtenidos se
presentan en la tabla 1. De allí surge que la
diferencia porcentual promedio fue de un 4,1%.

Zona
Valor real
(mm)
Simulado
(mm)
Diferencia
(%)
Espesor en
altura
máxima
0,59 0,57 - 3,4
Espesor en
altura media 0,58 0,61 + 5,2
Espesor
mínimo
0,55 0,53 - 3,6
Diferencia promedio (%) + 4,1
Tabla 1: Comparación de espesores reales y simulados

Otro detalle a tener en cuenta es el pliegue de
la chapa aparecido durante el proceso de
estampado en la zona exterior al prensachapa.
Éste aparece debido al desplazamiento de la
chapa hacia la zona interna de la matriz y el
prensachapa debido a una baja presión en éste
último. Dicha deformación también fue
replicada por la simulación, y a pesar que no
sea un valor cuantitativo, el surgimiento de este
defecto indica la representatividad de la misma.
Figura 4: Representación de los pliegues en la
simulación

Para lograr una visualización del desvío entre
los valores reales y los simulados en cada uno
de los parámetros analizados se confeccionó
un gráfico donde se le asignó el equivalente al
100% al resultado numérico medido en el
ensayo físico, y su correspondiente porcentual
a los valores obtenidos por simulación.

Figura 5: Comparación de mediciones realizadas en la
chapa real y la simulada


Conclusiones
A partir del análisis de los resultados se
visualiza una clara correspondencia entre los
valores obtenidos por simulación y los
ensayados, brindando un antecedente válido
en la simulación de este tipo de procesos. Ésto
posibilita realizar nuevos estudios sobre
geometrías más complejas, así como también
sobre diferentes materiales para chapas finas.