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May 03, 2023

Remachado por inyección

Remachado autoperforante frente a remache de solapa de inyección El remache autoperforante (derecha) es

Remachado de autoperforación versus remachado de solapa de inyección

El remache autoperforante (derecha) es un proceso de unión en frío para sujetar dos o más hojas de material. Durante el montaje, el remache se introduce en la pila de material con una fuerza controlada, perforando la capa o capas superiores. El remache se expande radialmente en la capa o lámina inferior, bajo la influencia de un troquel, formando un fuerte enclavamiento mecánico. El remache no atraviesa el último material.

El remachado por inyección (izquierda) es similar, pero su principio de unión se basa en la plasticidad y la fricción sin fractura y formación de las superficies. El proceso implica dos operaciones consecutivas. Primero, se mecaniza un orificio de cola de milano en la hoja inferior. Luego, se presiona un remache semitubular a través de la lámina superior en el orificio de la lámina inferior.

Ilustración cortesía de la Universidad de Lisboa

Los investigadores descubrieron que los orificios de cola de milano en las láminas de aluminio se comportan como cavidades de matriz en las que fluía la longitud del vástago del remache. El remache llenó completamente los orificios con ángulos de inclinación de 15 y 30 grados, pero se observaron bolsas de material sin rellenar en los orificios con un ángulo de inclinación de 45 grados. Aunque la socavación es mayor para el ángulo de inclinación de 45 grados, los bolsillos vacíos justifican la elección de ángulos de inclinación más pequeños, como 30 grados. Los ángulos más pequeños también son ventajosos ya que se necesita menos fuerza para instalar el remache.

Ilustración cortesía de la Universidad de Lisboa

Las pruebas eléctricas encontraron que las uniones remachadas producen menos resistencia eléctrica que las uniones comparables sujetas con una tuerca y un perno.

Ilustración cortesía de la Universidad de Lisboa

Para su proceso de remachado por inyección, los investigadores inventaron una nueva herramienta de corte. Consiste en dos cortadores inclinados controlados por resortes que se abrirán progresivamente para profundizar los agujeros de cola de milano a medida que la mesa superior se mueve hacia abajo. La herramienta se puede acoplar fácilmente a una máquina taladradora o fresadora.

Ilustración cortesía de la Universidad de Lisboa

Las barras colectoras son un componente esencial de los vehículos eléctricos. Esta tira o barra metálica distribuye eficientemente la energía eléctrica de los paquetes de baterías de alta energía a los motores eléctricos y otros dispositivos. Usualmente sin aislamiento, las barras colectoras deben tener suficiente rigidez para ser soportadas en el aire por pilares aislados. Esto ayuda a enfriar los conductores y permite a los ingenieros conectarlos en varios puntos sin crear una nueva unión.

Las barras colectoras normalmente se producen mediante el estampado de láminas de cobre. Sin embargo, debido a que el aluminio es más liviano y económico que el cobre, a los ingenieros les gustaría usar ese metal para las barras colectoras. El único problema con esa idea es que el aluminio tiene menos capacidad de conducción de corriente y mayor impedancia que el cobre debido a su mayor resistividad eléctrica.

Para obtener lo mejor de ambos mundos, los ingenieros están desarrollando conjuntos de barras colectoras que utilizan ambos metales. Estas barras colectoras híbridas combinan la excelente conductividad eléctrica del cobre con la baja densidad y el costo del aluminio.

Por supuesto, la creación de una barra colectora híbrida plantea el desafío de cómo conectar los dos materiales de manera fácil y efectiva sin causar interrupciones eléctricas. Las opciones existentes consisten casi exclusivamente en sujetadores roscados y tecnologías de soldadura.

Los elementos de fijación roscados son la tecnología más extendida debido a su alta fiabilidad y facilidad de montaje y desmontaje. Pero los sujetadores pueden crear presiones de contacto no uniformes, lo que puede distorsionar el flujo de corriente. La carga mecánica y térmica puede aflojar los sujetadores roscados y provocar interrupciones eléctricas. Además, los tableros de paneles y los gabinetes de electroductos ofrecen espacio limitado para sujetadores roscados.

Las principales tecnologías para soldar cobre y aluminio son la soldadura láser y la soldadura por puntos de agitación por fricción. Sin embargo, la efectividad de la soldadura está limitada por las diferentes propiedades químicas, mecánicas y térmicas de los dos materiales y por la creación de compuestos intermetálicos duros y quebradizos.

El clinchado y el remachado autoperforante también se están considerando para el montaje de barras colectoras híbridas, ya que pueden realizar las uniones en una sola operación a temperatura ambiente, sin necesidad de taladrar o punzonar los materiales. Sin embargo, estos procesos pueden introducir distorsiones en la corriente eléctrica debido a las protuberancias del material por encima y por debajo de las superficies de las láminas. Y, al igual que con los sujetadores roscados, los remaches autoperforantes agregan un tercer material a la mezcla.

En 2019, un equipo de investigadores de la Universidad de Lisboa en Portugal desarrolló un método novedoso para ensamblar barras colectoras híbridas sin protuberancias ni materiales adicionales. Su método combina el mecanizado por descarga eléctrica, el doblado y la compresión de las láminas a granel para obtener juntas de ajuste de forma que quedan encerradas dentro del espesor de las láminas superpuestas. El proceso es efectivo, pero requiere una secuencia de varias etapas de operaciones de conformado.

"El proceso se puede incluir fácilmente en un sistema de herramienta de prensa progresiva", dice Paulo Martins, Ph.D., profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de Lisboa que ayudó a desarrollar el nuevo proceso.

Ahora, Martins y su equipo de investigación han introducido otro nuevo método para unir cobre con aluminio: el remache de solapa de inyección. La nueva técnica se puede utilizar para ensamblar barras colectoras híbridas o cualquier otra aplicación que involucre dos láminas de metal superpuestas.

El proceso se lleva a cabo en dos etapas a temperatura ambiente. Primero, se mecaniza un orificio de cola de milano en la hoja inferior. Luego, se inyecta un remache semitubular a través de la hoja superior en el orificio de cola de milano de la hoja inferior para obtener una conexión de enclavamiento. El principio de funcionamiento se basa únicamente en la plasticidad y la fricción, en contraste con el remache autoperforante, que se basa en la plasticidad, la fricción y la fractura para permitir que el remache cree un socavado mientras perfora las láminas.

En comparación con el remache autoperforante, el remache de solapa por inyección tiene muchas ventajas, según Martins. Éstas incluyen:

La principal desventaja del remachado de solapa de inyección es que es una operación de dos etapas, debido a la necesidad de taladrar los orificios de cola de milano, reconoce Martins. Eso hace que el proceso sea más lento que el remachado autoperforante.

Los principales parámetros del proceso son el ángulo de inclinación del orificio de cola de milano; la profundidad del agujero; el grosor de los huecos de cola de milano; el diámetro interior y exterior del agujero; y la longitud del vástago del remache.

Aunque el proceso está confinado al laboratorio por el momento, Martins es optimista de que pronto podría implementarse en las líneas de montaje. "Las posibilidades de que este proceso se convierta en una tecnología comercial son buenas si el concepto de herramienta de corte que creamos para mecanizar los orificios de cola de milano se puede integrar con éxito en el equipo de procesamiento de chapa existente", dice Martins. "Estamos trabajando en esto."

Martins agrega que la tecnología se puede aplicar a más que solo ensamblajes de barras colectoras. "El remachado de solapamiento por inyección es aplicable al ensamblaje de cualquier hoja de metal superpuesta hecha de materiales similares o diferentes", dice.

Para probar su nuevo proceso, los investigadores mecanizaron una serie de orificios de cola de milano en láminas de aluminio de 5 milímetros de espesor (AA 6082) con una herramienta de corte especial. La profundidad del agujero se varió en 3 o 4 milímetros, y el ángulo de inclinación se fijó en 15, 30 y 45 grados. Los diámetros interior y exterior de los agujeros se mantuvieron constantes, al igual que el grosor de los huecos en cola de milano.

La herramienta de corte consta de dos cortadores inclinados controlados por resortes que se abrirán progresivamente para profundizar los agujeros de cola de milano a medida que la mesa superior se mueve hacia abajo. La herramienta se puede acoplar fácilmente a una máquina taladradora o fresadora. El diseño de la herramienta es flexible y permite el reemplazo fácil y rápido de los cortadores inclinados para el afilado.

Los remaches semitubulares se mecanizaron a partir de varillas de cobre electrolítico de 10 milímetros de diámetro. La longitud del vástago de los remaches se calculó para garantizar el llenado completo de los agujeros.

Luego, los investigadores instalaron los remaches en los agujeros con una prensa. Después del ensamblaje, algunas juntas de prueba se dividieron por la mitad a lo largo para el análisis de la sección transversal. Algunas juntas se sometieron a pruebas de extracción y corte, y otras juntas se probaron para determinar el flujo de corriente.

Los investigadores descubrieron que los orificios de cola de milano en las láminas de aluminio se comportan como cavidades de matriz en las que fluía la longitud del vástago del remache. El remache llenó completamente los orificios con ángulos de inclinación de 15 y 30 grados, pero se observaron bolsas de material sin rellenar en los orificios con un ángulo de inclinación de 45 grados. Estos bolsillos son el resultado de la deformación del orificio y no son críticos si las uniones están destinadas a conexiones puramente mecánicas. Sin embargo, estos bolsillos son perjudiciales para las conexiones eléctricas, como en las barras colectoras híbridas, porque crean una resistencia adicional al flujo de corriente.

Aunque la socavación es mayor para el ángulo de inclinación de 45 grados, las bolsas de material sin relleno justifican la elección de ángulos de inclinación más pequeños, como 30 grados, dice Martins. Los ángulos de inclinación más pequeños también son ventajosos ya que se necesita menos fuerza para instalar el remache.

Las pruebas de corte y extracción revelaron que los orificios con una profundidad de 4 milímetros superaron a los orificios con una profundidad de 3 milímetros. Las fuerzas máximas que se midieron en ambos ensayos corresponden a colapso por cizallamiento o por desprendimiento de los remaches de las láminas.

Las pruebas eléctricas encontraron que las uniones remachadas producen menos resistencia eléctrica que las uniones comparables sujetas con una tuerca y un perno.