¿Cómo afectan las propiedades de los diferentes materiales al trabajo en frío de los materiales de contacto eléctrico AgSnO₂?

I. INTRODUCCIÓN

El contacto eléctrico es frecuente en electrodomésticos, sistemas de energía, equipos aeroespaciales y otros, y se divide principalmente en tres categorías: contacto eléctrico fijo, que transmite señales eléctricas mediante dos contactos fijos, como los conectores eléctricos; contacto eléctrico deslizante, que transmite señales eléctricas mediante el deslizamiento de dos contactos, como los de escobillas y rodillos eléctricos; y contacto eléctrico separable, como el de diversos aparatos de conmutación, que se logra mediante la apertura y apertura de dos contactos para interrumpir el circuito.

En el proceso de contacto eléctrico separable, suelen producirse algunos fenómenos físicos, como el aumento de la resistencia de contacto, la erosión en la superficie de contacto, la soldadura por fusión, el desgaste y la transferencia de material. Con el desarrollo de la ciencia, la tecnología y sus aplicaciones, se han planteado mayores exigencias en cuanto al rendimiento de los materiales de contacto eléctrico. Los materiales de contacto eléctrico tipo remache se utilizan ampliamente en diversos campos de la conmutación debido a las excelentes características que ofrece la combinación de plata y otros aditivos.

Debido a la complejidad del proceso de fabricación de materiales metálicos tipo remache, los métodos tradicionales ya no satisfacen los requisitos del análisis de tensiones de conformado a gran escala. Sin embargo, la introducción del método de elementos finitos permite simular con precisión el proceso de conformado del material y su estado de tensiones. El método de elementos finitos rígido-plásticos se ha utilizado ampliamente en la investigación del conformado plástico de diversos metales. Este método se basa en la relación de pequeñas deformaciones y no considera la deformación elástica durante la deformación plástica. El método de elementos finitos rígido-plásticos es aplicable al proceso de deformación plástica de materiales con grandes deformaciones durante el trabajo en caliente y la deformación. Generalmente, para los materiales rígido-plásticos se realizan las siguientes suposiciones: no se considera la deformación elástica durante la deformación del material; no se consideran la fuerza volumétrica ni la fuerza de inercia del material; el volumen del material permanece constante; el flujo del material sigue la teoría del flujo de Levy-Mises.

Algunos investigadores utilizaron el software ABAQUS para simular el proceso de remachado cuasiestático mediante el método de elementos finitos tridimensional, con el fin de obtener la deformación del vástago del remache tras el remachado con remaches de cabeza cónica y semicircular convencional. Simultáneamente, compararon y analizaron la variación de la tensión residual en la placa. Finalmente, se estableció un sistema gris compuesto por la uniformidad de la deformación del vástago, el tamaño del remache y la altura de la cabeza del remache. Mediante el cálculo y el análisis del grado de correlación del sistema, se determinó la influencia del tamaño y la altura de la cabeza del remache en la uniformidad. Como resultado, la uniformidad del vástago tras el remachado con remaches cónicos fue superior a la obtenida con remaches convencionales. Otros investigadores utilizaron el software DEFORM-3D para estudiar el efecto de diferentes parámetros del proceso de conformado en frío sobre la conformabilidad de la aleación de titanio TC16.

Los resultados muestran que la deformación equivalente máxima aumenta con el incremento del coeficiente de fricción, y que primero aumenta y luego disminuye con el aumento de la velocidad de deformación. La tensión equivalente máxima aumenta con el incremento del coeficiente de fricción, y disminuye inicialmente para luego aumentar con el incremento de la velocidad de deformación. La temperatura de la palanquilla aumenta con el incremento del coeficiente de fricción o la velocidad de deformación. La carga de conformado en frío aumenta con el incremento del coeficiente de fricción o la velocidad de deformación, siendo el coeficiente de fricción el factor que más influye en dicha carga. Se optimizaron los parámetros del proceso de conformado en frío de barras de aleación de titanio TC16 mediante análisis. Se compararon y analizaron los procesos de conformado en frío y en caliente sobre la microestructura de la aleación TC16.

Las pruebas muestran que, tras el envejecimiento por solubilización, la microestructura y las propiedades mecánicas de las muestras conformadas en frío y en caliente son muy similares. Qingyun Zhao analizó el proceso de conformado de la cabeza de un perno hexagonal de aleación de titanio mediante simulación numérica. Se utilizó el software de elementos finitos DEFORM-3D para simular la variación del campo de temperatura, el flujo de material, la distribución del campo de tensiones y deformaciones, y la carga de deformación durante el proceso de conformado de la cabeza del perno hexagonal, y se analizó dicho proceso.

II. ESTABLECIMIENTO DEL MODELO DE SIMULACIÓN DE TRABAJO EN FRÍO

A. Creación de un modelo de elementos finitos 3D.
Para facilitar el análisis de simulación del proceso de conformado de remaches para contactos eléctricos con diferentes propiedades del material (elongación, módulo elástico, dureza), en este trabajo se simplificó el modelo, conservando únicamente los moldes superior e inferior y las piezas de trabajo durante el conformado.

Utilizando el software tridimensional SolidWorks, se creó un modelo tridimensional de conformado en frío de los remaches y se realizó un ensamblaje sencillo según la posición real de conformado. Tras el ensamblaje, el modelo se convirtió a un formato intermedio y se importó al software de elementos finitos. El modelo resultante de la simulación se muestra en la figura 1.

Material	H26	AgSnO 2 (15)
coeficiente de Poisson	0.3	0.31
Densidad (g/ cm³ )	7.8	9.89
Conductividad térmica (W·m -1 K -1 )	24,5	30.6
capacidad calorífica específica (J·Kg -1 K-1)	0.46	0.35
Coeficiente de dilatación térmica (10 -5 K -1 )	1.1	1.22

El material del molde utilizado en la simulación es H26, el material de la herramienta del software y el material de la pieza de trabajo es AgSnO2(15). Las propiedades mecánicas y físicas del molde y la pieza de trabajo se muestran en la Tabla I.

B. Configuración de parámetros del proceso de simulación numérica
. En el software de elementos finitos, se adoptó una división de malla hexaédrica para la pieza en bruto. Para garantizar resultados de prueba más precisos, el tamaño de la celda de la malla se estableció uniformemente en 0,9 mm, dividiéndose en 8606 celdas, y los troqueles superior e inferior se trataron como cuerpos rígidos.

En la etapa de desbaste del molde, se seleccionó una prensa hidráulica para la simulación, y la velocidad se estableció en una velocidad constante de 0,1 mm/s. Durante el desbaste del molde, el molde inferior permaneció fijo, y la condición de contorno de fricción entre la herramienta y el molde se definió como fricción de corte, y el coeficiente de fricción superficial es 0,2; La temperatura ambiente definida fue de 20 °C, la temperatura inicial de la pieza de trabajo y del molde fue de 20 °C, y el equipo y el molde definidos se liberaron después de la prueba.

III. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN

Se simularon numéricamente la elongación, el módulo elástico y la dureza de materiales de contacto eléctrico , como remaches, mediante software de simulación numérica para estudiar la influencia de las variaciones de parámetros en la fuerza de efecto del medio y la deformación equivalente de los materiales durante el trabajo en frío. Los resultados se analizaron y discutieron en detalle.

A. Efecto de la elongación en la conformación del material

. Para analizar la influencia de diferentes elongaciones en el trabajo en frío y la conformación de los materiales, así como en la distribución de la tensión y la deformación equivalentes, y manteniendo constantes los demás parámetros, la elongación del material se estableció en 0,05, 0,1 y 0,15, respectivamente. Los resultados de la deformación equivalente se muestran en la figura 2 y los de la tensión equivalente en la figura 3.



Como se observa en la figura 2, la deformación por efecto, como la producida por el remache, se acumuló principalmente en el contacto entre la cabeza del remache y la matriz inferior, con una distribución extremadamente irregular. Al aumentar la elongación, no se apreció un cambio significativo en la posición de la deformación por efecto ni en la deformación acumulada, posiblemente debido al pequeño rango de variación de la elongación, lo que resultó en un cambio poco perceptible de la deformación del material.

En la figura 3 se observa que la tensión equivalente en la cara de trabajo del remache y en el contacto con la matriz fue máxima, formándose una banda de cizallamiento en forma de X relativamente evidente en el centro. Con el aumento de la elongación, la tensión equivalente de la banda de cizallamiento en forma de X del remache disminuye gradualmente desde el centro de la cabeza del remache hacia los cuatro lados, siendo mínima en los bordes izquierdo y derecho. Esto demuestra que la elongación afecta la tensión del remache una vez formado, influyendo en la distribución regional de la banda de cizallamiento en la cabeza del remache y, por lo tanto, en el rendimiento de la conformación del remache. La razón es que, al aumentar la elongación, la deformación del centro de la cabeza del remache se facilita. En este caso, el calor generado por la deformación plástica aumenta y la resistencia a la deformación disminuye, por lo que la tensión equivalente disminuye gradualmente.

B. Influencia del módulo de elasticidad en el conformado del material.
En general, en aplicaciones industriales, se ha asumido que el módulo de elasticidad tiene un valor fijo, ignorando su impacto en el material. Sin embargo, para algunos metales con un marcado efecto de recuperación elástica, este afecta seriamente el diseño de optimización del proceso de conformado y el control preciso de las dimensiones. Por lo tanto, fue necesario esclarecer la influencia del módulo de elasticidad en el conformado de remaches mediante el análisis del conformado del material.
En la simulación, los demás parámetros permanecieron constantes y el módulo de elasticidad del material se estableció en 13,5 GPa, 27 GPa y 54 GPa, respectivamente. Los resultados de la deformación equivalente se muestran en la figura 4. Como se observa en dicha figura, la deformación equivalente de los remaches se acumula principalmente en la zona de contacto entre la cabeza del remache y la matriz inferior. Con el aumento del módulo de elasticidad, la cantidad acumulada de deformación equivalente no varía significativamente, lo que indica que, dentro de este rango, el módulo de elasticidad tiene poca influencia en la deformación equivalente durante el moldeo del material.

Los resultados de la fuerza equivalente se muestran en la figura 5. Como se observa en dicha figura, bajo la misma fuerza, la tensión en la sección transversal del remache disminuye al aumentar el módulo de elasticidad. Esto puede deberse a que la temperatura del material aumenta con el módulo de elasticidad. Según la teoría de la vibración atómica en sólidos, la vibración atómica se desvía de la posición de equilibrio y el desplazamiento aumenta con la temperatura. En este caso, la distancia entre átomos aumenta y la fuerza de enlace entre ellos se debilita, lo que resulta en una disminución de la energía del sistema. De acuerdo con la fórmula del módulo de elasticidad volumétrico, la energía disminuye y, por consiguiente, el módulo de elasticidad también disminuye. Cuando el módulo de elasticidad es de 54 GPa, la tensión equivalente en la sección del remache disminuye considerablemente, hasta aproximadamente 30 MPa, pero desde la perspectiva de la conformación general del remache, esto tiene poco impacto en su efecto de conformado.



C. Efecto de la dureza en la conformación del material.
Según el modelo establecido, la dureza del material se fijó en 80 HV, 100 HV y 120 HV, manteniendo los demás parámetros sin cambios. Los resultados de la deformación equivalente en la conformación del material con diferentes durezas se muestran en la figura 6.

Como se observa en dicha figura, al aumentar la dureza, la acumulación de efectos equivalentes en el contacto entre la cabeza del remache y la matriz inferior disminuye gradualmente. La deformación por efecto equivalente suele reflejar el grado de deformación del material. En la conformación de un solo remache, la cabeza del remache se ve afectada por la fuerza de cizallamiento, generando flujo de metal a lo largo de la superficie de la matriz inferior. Al aumentar la superficie de contacto con la matriz inferior, esta se ve sometida a la acción conjunta de la fuerza de cizallamiento y la fuerza de extrusión en este punto, por lo que la deformación equivalente acumulada en esta zona es mayor que en otras áreas. En la conformación de remaches con diferentes durezas, el aumento de la dureza dificulta la fluidez del material, por lo que la acumulación de deformación equivalente disminuye con el aumento de la dureza.

Los resultados de la tensión equivalente durante el conformado del material se muestran en la figura 7. Como se observa en dicha figura, para durezas del material de 80 HV, 100 HV y 120 HV, la tensión equivalente correspondiente fue de 153 MPa, 306 MPa y 612 MPa, respectivamente. La tensión en el remache se concentró principalmente en la unión entre la cabeza del remache y la matriz, siendo baja en el centro. Con el aumento de la dureza, la tensión en el remache durante el conformado aumenta gradualmente, presentando una distribución irregular.



La razón es que la dureza del material influye considerablemente en su procesabilidad, y la deformación por tensión provoca flujos que debilitan la direccionalidad de la estructura de la materia prima. Con el aumento de la deformación, resulta más difícil deformar el material. En este proceso, el calor generado por la deformación plástica disminuye, la resistencia a la deformación aumenta y la tensión equivalente se incrementa gradualmente, lo que genera una amplia concentración de tensiones en la unión entre el borde de la cara de trabajo del remache y la matriz superior. Sin embargo, la distribución desigual de la fuerza aplicada puede provocar defectos como grietas durante el proceso de remachado, lo cual se asemeja más a la situación y la posición de las grietas en los remaches durante la producción real.

IV. CONCLUSIÓN

Con el aumento de la elongación, no se observó un cambio significativo en la posición de la deformación equivalente ni en la acumulación de deformación del remache, y la tensión equivalente disminuyó al aumentar la elongación.

Cuando el módulo de elasticidad se encontraba en el rango de 13,5 GPa a 54 GPa, al aumentar este, la distribución de la deformación equivalente en cada área del material no varió significativamente y la tensión equivalente disminuyó, pero el efecto sobre la conformación general del remache fue mínimo.

La tensión equivalente en la cara de trabajo del remache aumentó con la dureza del material, y la probabilidad de fisuras en la superficie aumentó gradualmente, lo que se aproximó a la fisuración de los remaches en la producción real.

Para mejorar la calidad de la conformación de los remaches, sugerimos diseñar materiales con alta elongación, alto módulo de elasticidad y baja dureza.