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Numerical study on the effect of blank-holding techniques on the countersinking process

Este artículo presenta un estudio numérico que demuestra que los modelos innovadores de fuerza de sujeción de la chapa progresiva, utilizando anillos anulares elásticos, reducen significativamente las imperfecciones geométricas y el consumo de energía en el proceso de avellanado en comparación con los métodos tradicionales basados en el desplazamiento impuesto.

Autores originales: Hassen Mosbah, Slimen Attyaoui, Rachid Nasri

Publicado 2026-09-14

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CC BY 4.0

Autores originales: Hassen Mosbah, Slimen Attyaoui, Rachid Nasri

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

En el mundo del trabajo con metales, crear un asiento cónico y suave para un tornillo o un remache es una tarea común pero delicada conocida como avellanado. Imagine una lámina de metal con un pequeño agujero en ella; para preparar ese agujero para un sujetador que quede al ras de la superficie, una herramienta cónica se introduce en el metal, obligando a los bordes a abrirse hacia afuera. Este proceso parece sencillo, pero requiere un equilibrio cuidadoso de fuerzas. Si la lámina de metal no se sujeta con suficiente firmeza, se deformará o se levantará, arruinando la forma. Si se sujeta con demasiada fuerza, la máquina desperdicia una enorme cantidad de energía y el metal podría agrietarse o deformarse de maneras indeseadas. Durante décadas, los ingenieros han luchado por encontrar la cantidad perfecta de presión para aplicar al borde de la lámina, una fuerza conocida como fuerza de sujeción de la pieza, para asegurar que el producto final sea plano, resistente y eficiente de producir.

Un equipo de investigadores se propuso resolver este acto de equilibrio simulando el proceso en una computadora y probando sus ideas con láminas de metal reales. Se centraron en tres formas diferentes de sujetar la lámina durante la operación de avellanado. El primer método que examinaron fue un enfoque tradicional donde la máquina empuja la herramienta de sujeción hacia abajo con una presión fija e inflexible desde el principio. Sus simulaciones revelaron un fallo significativo en esta técnica: la fuerza necesaria para mantener la lámina perfectamente quieta era demasiado alta, alcanzando niveles casi tres veces superiores a la fuerza necesaria para dar forma al agujero. Esta presión excesiva significaba que la máquina trabajaba mucho más de lo necesario, consumiendo energía extra y con el riesgo de dañar el material.

Para solucionar esta ineficiencia, los investigadores propusieron dos nuevos métodos que utilizan un anillo flexible, similar a un resorte, hecho de un material plástico especial para aplicar la fuerza de sujeción. En lugar de presionar hacia abajo con una mano constante y pesada, este anillo permite que la fuerza aumente gradualmente a medida que la herramienta de conformado se adentra más profundamente en el metal. En el primer método nuevo, el anillo se asienta directamente contra la herramienta de sujeción, aplicando presión de inmediato. En el segundo método, ligeramente más refinado, se deja un pequeño espacio entre el anillo y la herramienta. Este espacio actúa como un breve retraso, permitiendo que el proceso de conformado comience antes de que entre en juego la presión de sujeción. Los investigadores descubrieron que ambos enfoques graduales eran muy superiores al viejo método rígido. Lograron reducir con éxito la energía total necesaria para el proceso y evitaron que la lámina de metal se levantara o se deformara, resultando en una forma final mucho más plana y precisa.

El estudio confirmó que la clave del éxito reside en el tiempo y la flexibilidad. Al permitir que la fuerza de sujeción crezca lentamente y aplicarla solo cuando es realmente necesaria, la máquina evita el desperdicio de energía visto en el método tradicional. Los investigadores validaron sus modelos computacionales construyendo herramientas físicas y realizando pruebas reales, encontrando que los resultados del mundo real coincidían estrechamente con sus simulaciones. Descubrieron que el mejor enfoque involucraba el método retardado, donde la presión de sujeción comienza apenas una fracción de milímetro después de que comienza el conformado. Este ajuste específico redujo el consumo de energía en aproximadamente un diez por ciento en comparación con el método de presión inmediata y mantuvo la fuerza de sujeción muy por debajo del límite de lo que la herramienta de conformado podía manejar. Los hallazgos sugieren que, simplemente cambiando la forma en que se aplica la presión —utilizando un anillo inteligente y flexible en lugar de una abrazadera rígida—, los fabricantes pueden producir agujeros avellanados de alta calidad con menos esfuerzo y menos desperdicio, una mejora pequeña pero significativa para la industria.

Resumen Técnico: Estudio Numérico sobre el Efecto de las Técnicas de Sujeción de la Chapa en el Proceso de Avellanado

Planteamiento del Problema
El proceso de avellanado, ampliamente utilizado para agrandar agujeros pretaladrados para cabezas de remaches o tornillos en la conformación de chapas metálicas, es sensible al control de la Fuerza de Sujeción de la Chapa (BHF, por sus siglas en inglés). En aplicaciones industriales, particularmente con máquinas de prensa de acción simple, el control de la BHF es crítico para minimizar las imperfecciones geométricas (como huecos y expansiones) y reducir el consumo de energía. Estudios previos han destacado problemas con las técnicas de sujeción de chapa existentes; por ejemplo, aplicar un desplazamiento impuesto al sujetador de la chapa a menudo resulta en una BHF excesiva que supera la carga del punzón, lo que conduce a un consumo de energía innecesario y posibles ineficiencias del proceso. Si bien la investigación ha cubierto extensamente la vida a la fatiga, el comportamiento de agrietamiento y la optimización de parámetros geométricos, existe una falta de literatura enfocada en la optimización del método de aplicación de la BHF en sí mismo para equilibrar la cinemática de conformado y la eficiencia energética.

Metodología
Este estudio emplea un enfoque numérico integral utilizando modelos de elementos finitos elasto-plásticos axisimétricos desarrollados en Abaqus/Standard®. La investigación utiliza acero laminado en caliente S235 (espesor de 2.7 mm) e investiga tres escenarios distintos de sujeción de la chapa:

Caso C1 (Desplazamiento Impuesto): Un modelo tradicional donde se impone un desplazamiento específico al sujetador de la chapa. Un subcaso con desplazamiento impuesto cero (sujetador de chapa mantenido) sirve como base para la determinación de la fuerza de reacción.
Caso C2 (BHF Progresiva, Sin Holgura): Un modelo novedoso que utiliza un anillo anular elástico posicionado entre el punzón y el sujetador de la chapa para generar una BHF progresiva desde el inicio del proceso. La rigidez del anillo se varía cambiando su Módulo de Young ( $E_S$ ).
Caso C3 (BHF Progresiva con Holgura): Una extensión del Caso C2 donde se introduce una holgura ( $C \neq 0$ ) entre el sujetador de la chapa y la pieza de trabajo. Esto crea un retraso en la aplicación de la BHF, permitiendo que esta actúe solo después de que el punzón haya recorrido una distancia específica.

Los modelos incorporan fricción de Coulomb (coeficiente = 0.12) y mallado adaptativo para manejar grandes deformaciones plásticas. La validación experimental se realizó utilizando una máquina de compresión universal de 200 kN. Para los modelos de fuerza progresiva, se fabricó un anillo anular de politetrafluoroetileno (PTFE) para aproximar la rigidez requerida, y se utilizaron calzas para controlar la holgura.

Contribuciones Clave y Resultados
El estudio compara sistemáticamente los tres casos con respecto a la evolución de la carga, la cinemática de conformado y el consumo de energía:

Fuerza Excesiva en el Caso C1: El método tradicional de desplazamiento impuesto (específicamente con $\delta_b = 1\mu m$ ) resultó en una BHF máxima de aproximadamente 59 kN. Este valor es aproximadamente un 144% de la carga del punzón (41 kN), confirmando que esta técnica conduce a un consumo de energía excesivo y no es adecuada para la fabricación donde la BHF no debe exceder la carga del punzón.
Efectividad de la BHF Progresiva (Casos C2 y C3): La introducción de un anillo anular elástico redujo con éxito la BHF a niveles manejables.
- En el Caso C2, la BHF máxima se redujo a 19 kN (aprox. 45% de la carga del punzón).
- En el Caso C3, con la adición de una holgura de 0.45 mm, la BHF máxima fue de 24 kN (aprox. 60% de la carga del punzón).
Mejoras Cinemáticas: La BHF progresiva mejoró significamente la calidad de la pieza formada. Comparado con el caso de referencia (C1 con desplazamiento cero), los métodos progresivos redujeron el hueco inferior ( $G_i$ ) a un tercio de su valor original y disminuyeron la expansión axial, mejorando así la planitud de la superficie final. El uso del anillo anular también aumentó la retracción del material, lo cual es beneficioso para la formación del agujero.
Eficiencia Energética: El consumo de energía, calculado como el área bajo la curva de la BHF, se minimizó en el Caso C3. La introducción de la holgura resultó en una reducción del 10% en el uso de energía en comparación con el Caso C2.
Validación Experimental: Las pruebas experimentales utilizando un anillo de PTFE (aproximando $E_S = 540$ MPa) mostraron una buena concordancia con las simulaciones numéricas, con una diferencia máxima del 14% en las curvas de BHF progresiva. Los experimentos confirmaron que la sujeción de chapa progresiva reduce la deformación plástica acumulada (PEEQ) en un 25% en comparación con el método tradicional y elimina los rayones circulares alrededor del agujero avellanado causados por la alta presión de contacto.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores concluyen que las propuestas técnicas de sujeción de chapa progresiva (específicamente los Casos C2 y C3) ofrecen una solución viable para optimizar el proceso de avellanado en máquinas de acción simple. Al utilizar un anillo anular elástico, la BHF puede controlarse para permanecer por debajo de la carga del punzón, reduciendo así el consumo de energía y los defectos geométricos sin alterar los requisitos de carga del punzón.

El estudio afirma que el Caso C3 representa la configuración óptima, equilibrando el menor consumo de energía con un control efectivo sobre la cinemática de conformado (retracción, huecos y expansión). La investigación valida que los modelos de elementos finitos, cuando se combinan con la verificación experimental, son herramientas fiables para predecir cargas y cinemática en el avellanado. Los autores declaran que estas metodologías pueden integrarse directamente en las máquinas de punzonado de acción simple de bajo costo existentes para producir agujeros avellanados estandarizados con mayor calidad y eficiencia. Se identifica como trabajo futuro el enfoque en la optimación adicional del proceso para lograr agujeros avellanados totalmente normalizados.

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