¿Por qué el espesor de pared de la funda de acero inoxidable 316 inferior a 0,9 milímetros requiere menores índices de reducción de estampado para evitar la ovalidad y daños en los cables de resistencia en elementos calefactores de alta-tolerancia?

Para los ingenieros de fabricación y especialistas en control de calidad que tienen la responsabilidad de los elementos calefactores eléctricos de precisión utilizados en instrumentos analíticos, procesamiento de semiconductores y dispositivos médicos, la precisión geométrica de la funda de acero inoxidable 316 es tan importante como su resistencia a la corrosión. Las desviaciones de ovalidad de una sección transversal-circular verdadera y la concentricidad, la posición relativa del cable de resistencia dentro de la funda, tienen una influencia directa en la distribución del calor, el aislamiento eléctrico y el ajuste mecánico dentro de las boquillas del recipiente. Las relaciones de reducción de estampado habituales para vainas más gruesas se vuelven problemáticas con un espesor de pared inferior a 0,9 mm. La pared delgada se deforma de manera no-uniformemente en relaciones de reducción altas, lo que provoca ovalidad y quizás dañe el cable de resistencia sensible. Este artículo describe cuantitativamente la relación entre el espesor de pared delgada-y la reducción máxima de estampación con la calidad final de la funda y proporciona los límites del proceso para la fabricación de calentadores de alta-tolerancia.

Mecánica de estampación de tubos 316 de paredes delgadas-
El estampado es un proceso en el que un tubo 316 se martilla radialmente hacia adentro mediante matrices giratorias, lo que reduce su diámetro exterior.. 20-30 % de relaciones de reducción son habituales para espesores de pared normales superiores a 1,2 mm. Esto reduce un tubo de 12 mm a 9,6 mm u 8,4 mm. La gran pared proporciona suficiente rigidez radial para mantener el proceso redondo. Para tubos de pared delgada-por debajo de 0,9 mm, la rigidez radial cae sustancialmente ya que la rigidez está relacionada con el cubo del espesor de la pared. Una pared de 0,8 mm tiene aproximadamente un tercio de la rigidez radial de una pared de 1,2 mm. Bajo la misma fuerza de estampado, el tubo delgado se deforma preferentemente en la dirección de los troqueles de estampado, formando una sección transversal ovalada con el eje principal en la misma dirección que el impacto del troquel. La ovalidad del estampado de paredes delgadas-con reducciones estándar suele ser de 0,1 a 0,3 mm, mientras que para paredes gruesas es de 0,02 a 0,05 mm. La ovalidad provoca una compactación desigual del MgO - más denso a lo largo del eje mayor y menos denso en el eje menor. Esta falta de uniformidad provoca puntos calientes localizados y reduce la resistencia aislante. Además, el alambre de resistencia centrado por el polvo de MgO puede moverse hacia el eje menor donde la compactación es menor, debilitando aún más la concentricidad.

Reducción máxima de estampado para revestimientos de paredes delgadas-
Se han realizado estudios experimentales en 316 vainas de diversos espesores de pared y se han identificado relaciones máximas de reducción de estampado para mantener la ovalidad por debajo de 0,05 mm y la concentricidad dentro del 10 % del espesor de la pared. Para un espesor de pared de 0,7 mm, el ratio máximo de reducción es del 12% (el mínimo de producción establecido en el artículo 11). Un tubo de 10 mm se puede estampar hasta 8,8 mm, pero no hasta 8,0 mm. Para espesores de pared de 0,8 mm, la relación de reducción máxima es del 15%. El máximo para un espesor de pared de 0,9 mm es del 18 por ciento. El máximo salta al 22% para un espesor de pared de 1,0 mm. Las reducciones aceptables son del 25 al 30% para 1,2 mm y más. Las restricciones se basan en una única pasada de estampado. Se pueden realizar varias pasadas con recocidos intermedios para una mayor reducción global sin pérdida de calidad. Una vaina de 0,8 mm estampada con una reducción del 10 %, recocida y estampada nuevamente con una reducción del 10 % da una reducción total del 19 % con una ovalidad similar a la reducción del 12 % en una sola pasada. La desventaja es un mayor costo de fabricación y tiempo de ciclo.

Matriz de reducción de estampado y espesor mínimo de pared para calentadores de precisión
La siguiente tabla presenta las relaciones máximas recomendadas de reducción de estampado y las consiguientes expectativas de ovalidad para vainas 316 de diversos espesores de pared para aplicaciones de elementos calefactores de alta tolerancia.

316 Espesor de pared de la funda Reducción máxima de estampado en una sola pasada Reducción máxima de múltiples pasadas (con recocido) Ovalidad esperada en la reducción máxima Concentricidad esperada (desviaciones de posición del cable) Aplicaciones regulares
0,7 mm (fabricación mínima) 12 % 18 % (2 pasadas) 0,08 – 0,12 mm 0,10 – 0,15 mm Micro-calentadores para instrumentación analítica
0,8 mm 15 % 22 % (2 pasadas) 0,06 – 0,10 mm 0,08 – 0,12 mm Calentadores de cartucho de diámetro pequeño
0,9 mm 18 % 25 % (2 pasadas) 0,05 – 0,08 mm 0,06 – 0,10 mm Calentador de dispositivos médicos de precisión
1,0 mm 22 % 30 % (2 pasadas) 0,04 – 0,06 mm 0,05 – 0,08 mm Calentadores de procesamiento de semiconductores
1,2 mm 25 % 35 % (2 pasadas) 0,03 – 0,05 mm 0,04 – 0,06 mm Calentadores de precisión industriales estándar
28% 40% (2 pasadas) Propósito general con buena tolerancia 1,6 mm 0,02 – 0,04 mm 0,03 – 0,05 mm
2,0 mm 30 % No necesario 0,02 – 0,03 mm 0,02 – 0,04 mm Diseños mecánicos de pared gruesa-
Para aplicaciones que necesitan la máxima precisión geométrica, como calentadores que deben encajar en un orificio de tolerancia estrecha-o proporcionar calor constante en una zona restringida, los ingenieros deben exigir una ovalidad máxima de 0,05 mm y solicitar una medición de concentricidad al fabricante. Esto generalmente requiere un espesor de pared de 1,0 mm o más, o un estampado de múltiples pasadas para paredes más delgadas, lo que aumenta el costo.

Fallo del cable de resistencia en estampado de paredes delgadas-
Además de la ovalidad, el estampado-de pared delgada también puede causar daños directos al cable de resistencia. Las matrices de estampación ejercen una fuerza radial que pasa a través de la funda y el MgO al alambre. El MgO se compacta uniformemente para paredes gruesas y el alambre está sujeto solo a tensión de compresión, lo que no degrada las aleaciones dúctiles de níquel-cromo. La pared delgada se caracteriza por una menor rigidez radial que permite una deformación local capaz de producir tensiones puntuales significativas en el alambre. Si el estampado está doblado o abollado, la resistencia se alterará localmente y creará un punto caliente que fallará prematuramente. Cuando el espesor de la pared es inferior a 0,9 mm y los índices de reducción son superiores al 15 %, los hallazgos experimentales indican que la aparición de daños en los cables aumenta de menos del 0,1 % a aproximadamente el 2-5 %. Esta tasa de desperdicio es adecuada para algunas aplicaciones, pero no es práctica para producciones de gran volumen y bajo costo. Para evitar que el alambre se estampe en paredes delgadas-los productores deben usar un alambre de mayor diámetro que tenga una mayor rigidez a la flexión o usar un alambre trenzado de múltiples-hebras que pueda soportar la deformación mejor que un solo alambre sólido. Si los ingenieros especifican revestimientos de pared delgada, deben buscar muestras de secciones transversales destructivas del proceso de fabricación inicial para garantizar la integridad del cable y la uniformidad del MgO. El gasto de seccionar y revisar cinco calentadores es trivial en comparación con el costo de fallas en el campo debido a puntos calientes de cables. Para aplicaciones donde la máxima precisión y confiabilidad son primordiales, un espesor de pared de 1,0 mm o mayor elimina la mayoría de los problemas de estampado de paredes delgadas y aún proporciona un rendimiento térmico excepcional para la mayoría de las aplicaciones. Los ingenieros deben aceptar los obstáculos de fabricación y los riesgos de calidad de las cubiertas 316 de menos de 0,9 mm solo cuando las restricciones de espacio o de respuesta térmica exijan absolutamente paredes más delgadas.