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Jul 21, 2023

Estudio sobre la reducción de defectos de plegado de metal en la parte superior del diente formado con rodillo de acabado en el proceso de laminación de engranajes

Informes científicos volumen 13,

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 4691 (2023) Citar este artículo

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El proceso de laminado cruzado es un nuevo método para fabricar engranajes de gran diámetro, que tiene grandes ventajas. Mientras que durante el proceso de fabricación de engranajes con laminación transversal, debido a la diferencia del mecanismo de deformación entre los perfiles de diente formados derecho e izquierdo, se tira de una punta en la parte superior del diente de la pieza de trabajo, lo que afecta gravemente la calidad de formación. Para eliminar el defecto ocurrido, se propone y diseña el rodillo de acabado, se establece y resuelve la ecuación de movimiento del rodillo de acabado, se obtiene el principio del aumento de altura del diente formado. Y también se establece un modelo simplificado de elementos finitos (FE) con rodillo de acabado y rodillo sin acabado en el software DEFORM-3D. Se analiza la comparación de los resultados de la simulación entre dos situaciones y se puede concluir que con el rodillo de acabado, las protuberancias a ambos lados de la parte superior del diente de la pieza de trabajo en cada etapa son aplanadas por el rodillo de acabado y la acumulación de la parte superior del diente no se producirán protuberancias, lo que significa que no se requiere extrusión ni acabado de la parte superior del diente de la pieza de trabajo. Además, se lleva a cabo el experimento con el rodillo de acabado y se puede comprobar la eficacia del rodillo de acabado.

El proceso de laminado de engranajes es un nuevo método para fabricar engranajes de gran diámetro, que presenta grandes ventajas, como mayores tasas de producción, ahorro considerable en metal, capacidad de carga mejorada y vida útil prolongada de la herramienta sobre los métodos de fabricación convencionales1. Sin embargo, durante el proceso de fabricación de engranajes con rodamiento de engranajes, debido a la diferencia de mecanismo de deformación entre los perfiles de los dientes derecho e izquierdo, se produce un tirón en la punta del diente, llamado oreja de conejo, como se muestra en la Fig. 1, lo que afecta severamente el calidad de formación, lo que resulta en el defecto de plegado de metal en la parte superior del diente formado.2

La oreja de conejo en la parte superior del diente de la pieza de trabajo formada2.

Para reducir el defecto, se han dedicado muchos trabajos de investigación. Kamouneh analizó el defecto de la oreja de conejo en la parte superior del diente mediante la combinación del método de elementos finitos y el experimento y propuso una posible solución para reducir el defecto. Sin embargo, la posible solución no fue verificada por experimentación3,4,5. Yu et al. Estudió la formación del eje del engranaje mediante el proceso de laminación de cuña cruzada y analizó la influencia de la temperatura de laminación, la fuerza de fricción, la forma de la pieza de trabajo y otros cambios en el fenómeno de la oreja de conejo y llegó a la conclusión de que el defecto es causado por el flujo ascendente de metal en el perfil del diente causado por la fricción entre el diente del dado y el diente formado de la pieza de trabajo. Mientras que las medidas para disminuir el defecto no fueron mencionadas6. Wang estudió la formación de engranajes mediante el método FE, cuantificó el fenómeno del defecto de oreja de conejo y estudió la influencia de diferentes parámetros de proceso en el plegado de metal en la parte superior del diente. La altura de la oreja de conejo se redujo efectivamente al preformar la pieza de trabajo y optimizar los parámetros del proceso. Sin embargo, todos los datos de la investigación se basaron en simulación de elementos finitos y no se llevó a cabo ninguna verificación experimental7,8. Zhu estudió la influencia del deslizamiento relativo entre los perfiles de los dientes en el flujo del metal durante el proceso de laminación, analizó los factores que influyen en el defecto de la oreja de conejo y los resumió como que para formar engranajes con altura de diente estándar, aumentar la temperatura de formación y reducir la fricción son beneficiosos. para reducir el defecto de la oreja de conejo. Después de presionar el troquel del engranaje para obtener el acabado, el defecto de plegado de metal en la punta del diente puede eliminarse y llevarse a cabo experimentos de rodadura.9

Sin embargo, cuando se forman engranajes con módulo grande (más de 5) o engranajes de dientes altos, la optimización de los parámetros del proceso no puede eliminar el defecto del plegado de metal en la parte superior del diente formado10. Por lo tanto, en este trabajo se diseña un dispositivo de rodillos de acabado. Como se muestra en la Fig. 2, durante el proceso de laminación del engranaje, la altura del diente de la pieza de trabajo aumenta gradualmente, el rodillo de acabado rueda sobre la parte superior del diente y el metal levantado por la fricción se presiona para evitar la acumulación de la oreja de conejo. Además, se puede eliminar el defecto de plegado de metal en la punta del diente.

El principio del proceso de laminación de engranajes con rodillo de acabado.

A medida que el perfil del diente formado de la pieza de trabajo continúa creciendo, el rodillo debe retraerse como se muestra en la Fig. 2, por lo que es necesario resolver la ecuación de movimiento del rodillo de acabado con la alimentación del troquel de engranajes.

La ecuación de movimiento del rodillo de acabado se establece de la siguiente manera, como muestra la Fig. 3, KT y KW representan el perfil de diente conjugado del troquel de engranaje y la pieza de trabajo respectivamente, y de ellos, el radio del círculo divisorio es rt y rw respectivamente. El sistema de coordenadas giratorio (xtOtyt) y (xwOwyw) se fijan respectivamente con el perfil de diente de matriz de engranaje KT y el perfil de diente de pieza de trabajo KW. Además, el origen de la coordenada coincide con el centro de rotación de la pieza de trabajo y la matriz del engranaje. Al principio, el eje yt y el eje yw coinciden con la línea central de la pieza de trabajo y la matriz del engranaje a través del nodo P. Suponga que la línea normal de un punto CT en el perfil del diente de la matriz del engranaje KT se cruza con el círculo primitivo en PT, y la línea normal del punto CW en el perfil de diente de la pieza de trabajo KW se cruza con el círculo primitivo en PW, cuando el perfil de diente de la matriz de engranajes KT gira en sentido antihorario a θ1, correspondientemente el perfil de diente de la pieza de trabajo KW gira en sentido horario a θ2, PT y PW se mueven al punto P al mismo tiempo, y los puntos CT y CW comienzan a hacer contacto en el punto C. De acuerdo con la ley de mallado, se puede obtener de la siguiente manera,

donde, \(\alpha_{t} ,\alpha_{w}\) son respectivamente los ángulos de engrane del perfil del diente KT y KW. Por conveniencia para el análisis, sea

La relación de engrane del perfil del diente envolvente.

Aquí, defina l como la longitud de la línea normal.

La ecuación del parámetro del perfil del diente de la matriz del engranaje KT en el sistema de coordenadas (xtOtyt) se puede expresar como,

La ecuación del arco de la parte superior del diente de la matriz del engranaje en el sistema de coordenadas (xtOtyt) se puede mostrar de la siguiente manera,

donde, θ es el ángulo entre el radio del arco de la parte superior del diente del troquel y el eje yt. La ecuación del parámetro del perfil del diente de la pieza de trabajo KW se puede expresar como,

y

donde, i es la relación de transmisión entre la matriz del engranaje y la pieza, y dado que el equipo de rolado adopta una graduación forzada, i es el valor fijo.

Como la línea normal del perfil del diente de la matriz del engranaje KT en el punto CT siempre es perpendicular a la tangente de ese punto, el ángulo entre la normal en el punto CT y el eje xt es π-(α + θ1), por lo que se puede obtener como,

De acuerdo con la Ec. (6), derivar para θ1 respectivamente, \(\frac{{dy_{t} }}{{d\theta_{1} }}\) y \(\frac{{dx_{t} }}{{d\ theta_{1} }}\) se puede obtener, sustituir a Eq. (10), después de un acabado simplificado, se puede obtener como

Dado que el ángulo de engrane del perfil de la envolvente es constante, la ecuación. (11) se puede expresar como,

Reemplace la ecuación. (12) con las ecuaciones. (6) y (8) para obtener la ecuación del perfil del diente del dado del engranaje de la siguiente manera,

Y la ecuación del perfil del diente de la pieza de trabajo se puede mostrar como

Para facilitar la solución del aumento de altura del diente formado, el perfil del diente del troquel se gira en sentido contrario a las agujas del reloj φ1. En consecuencia, la ecuación del perfil del diente de la pieza de trabajo se gira en el sentido de las agujas del reloj φ2, φ1 = iφ2, y se puede obtener como,

donde, φ1 es el ángulo entre la línea central simétrica del perfil del diente del dado del engranaje KT e yt.

El perfil del diente después de la rotación se muestra en la Fig. 4. El punto A es la intersección del círculo exterior de la pieza de trabajo original y la involuta. El radio inicial de la pieza de trabajo es r0, el punto Q es el punto de intersección entre el círculo adicional del diente de la pieza de trabajo y la envolvente en un momento determinado, y el radio es ri. B es la intersección del círculo de la raíz del diente y la involuta de la pieza formada en un momento determinado.

El diagrama esquemático de la relación de posición entre la matriz del engranaje y la pieza de trabajo en un momento determinado.

Debido al principio de volumen constante de la pieza de trabajo antes y después de la formación en el procesamiento de plástico, el área generada es igual al área de la ranura profunda como SMNQA = SBAEF, y se puede obtener como,

De acuerdo con la teoría anterior, el software MATLAB se utiliza para calcular numéricamente el diámetro en tiempo real del círculo de adición de la pieza de trabajo en el proceso de formación como un ejemplo específico, en el que los parámetros básicos del diente del troquel de engranaje y la pieza de trabajo se muestran en Tabla 1. El aumento de la altura del diente calculado por MATLAB en diferentes momentos se muestra en la Tabla 2.

El ajuste polinómico se realiza con los datos de cantidad de alimentación y aumento de la altura del diente de la pieza de trabajo, que puede obtener la función de h a f1, que se muestra como,

Y los valores de los coeficientes polinómicos se muestran en la Tabla 3.

Además, durante el proceso de laminado de engranajes, la cantidad de alimentación f1 = vf1t, donde vf1 es la tasa de alimentación, por lo que la velocidad del rodillo de acabado vya se puede obtener como

Se establece el modelo FE del proceso de laminación de engranajes con el dispositivo de rodillos de acabado y la asignación de los objetos se muestra en la Fig. 5 considerando evitar la interferencia espacial. La pieza de trabajo se coloca como un cuerpo de plástico rígido y se fija. La matriz de engranajes, la placa deflectora y el rodillo de acabado se establecen como cuerpos rígidos. Dado que la pieza de trabajo está fija, la matriz de engranajes y la placa deflectora giran alrededor de su propio eje, girando simultáneamente alrededor del eje central de la pieza de trabajo. El rodillo de acabado también gira alrededor del eje central de la pieza de trabajo. Y el par de rotación se establece en 0, es decir, cuando entra en contacto con la pieza de trabajo, el rodillo de acabado gira impulsado por la fricción de la pieza de trabajo. Además, con el movimiento de alimentación, el troquel del engranaje y la placa deflectora se acercan gradualmente a la pieza de trabajo, y el rodillo de acabado se aleja gradualmente de la pieza de trabajo a medida que aumenta la altura del diente formado de la pieza de trabajo. Dado que el troquel del engranaje está a 45° del rodillo de acabado, la relación entre la velocidad del rodillo de acabado y el tiempo se puede obtener de la siguiente manera

donde, ωw es la velocidad de la pieza de trabajo durante el proceso de laminado (rad/s).

El modelo FE de proceso de laminación de engranajes con rodillo de acabado.

De acuerdo con las características de simetría de la pieza, se tomó la mitad del espesor de la pieza para simplificar11,12, como se muestra en la Fig. 6. Además, dado que el troquel de engranajes y la pieza son accionados por sus respectivos servomotores, ambos tienen ciertas velocidades. , y los parámetros como la fuerza de rodadura son periódicamente simétricos, el modelo de la pieza de trabajo se puede simplificar a un cilindro en forma de abanico de 1/12 en la dirección circunferencial13. Para mejorar la eficiencia computacional, se lleva a cabo el refinamiento de la malla local del área de formación de la superficie exterior de la pieza de trabajo, lo que puede garantizar la precisión de la forma envolvente del perfil del diente formado. Al mismo tiempo, el paso de tiempo se establece en 0,01 s por paso en el proceso de simulación. En cuanto a la transmisión de calor, la temperatura ambiente se establece en 20 °C, el coeficiente de transferencia de calor por contacto entre el engranaje en bruto y el molde del diente se establece en 5 × 103 W/m2·K, el coeficiente de convección entre el engranaje en bruto y el aire se establece en 20 W/m2·K, y la tasa de radiación térmica es 0,7. Además, se selecciona el modelo de fricción cortante para el proceso14. La fuerza de fricción de la superficie de contacto del modelo de fricción de corte no cambia con el cambio de la presión normal y la unidad de fuerza de fricción es constante, lo que se ajusta a la ley de fricción constante, que se puede expresar como

donde, m es el factor de fricción y 0 < m ≤ 1,0, k es el esfuerzo cortante de fluencia de la pieza de trabajo.

El modelo simplificado del proceso de laminación de engranajes con rodillo de acabado.

Los parámetros de la simulación de elementos finitos de la configuración del proceso de laminación de engranajes se muestran en la Tabla 4.

La máquina laminadora de engranajes con rodillo de acabado se muestra en la Fig. 7, y se lleva a cabo el experimento de laminación de engranajes. Se llevaron a cabo las comparaciones de distribución de temperatura y fuerza de laminación entre los resultados experimentales y de simulación durante el proceso de laminación de engranajes. Como se muestra en la Fig. 8, el resultado de la simulación de la distribución radial de la temperatura tiene las mismas tendencias que los resultados experimentales. Además, la comparación cuantitativa se muestra en la Fig. 9 y cerca de la zona de formación, el error relativo máximo de distribución de temperatura es de alrededor del 3%. Por lo tanto, los resultados de la simulación de calentamiento pueden validarse y considerarse confiables. En cuanto a la fuerza de laminación, que se muestra en la Fig. 10, en la etapa de penetración y formación, la fuerza de laminación aumenta con el aumento de la cantidad de alimentación, luego, en la etapa final, la fuerza de laminación cae y se mantiene estable en cierto valor. Según las comparaciones de los resultados experimentales y de simulación, la fuerza de rodadura coincide bien y el error relativo máximo es del 10,6 %, lo que sugiere que los resultados de la simulación concuerdan bien con los datos experimentales, lo que demuestra la validez del modelo establecido2.

El equipo de laminación de engranajes con dispositivo de rodillo de acabado. 1 dispositivo de alimentación, 2 abrazadera, 3 transformador, 4 fuente de alimentación de calentamiento por inducción y 5 matriz de engranajes y deflectores, 6 rodillo de acabado y 7 pieza de trabajo.

La distribución de temperatura de la pieza de trabajo en dirección radial. (a) Resultado de la simulación y (b) resultados experimentales capturados por imágenes termográficas infrarrojas.

Las comparaciones cuantificadas de distribución de temperatura de la pieza de trabajo formada.

Comparación de simulación y fuerza de rodadura experimental durante diferentes etapas.

De acuerdo con la Ec. (20), la relación con el avance y el aumento de la altura del diente de la pieza de trabajo se puede obtener y mostrar en la Fig. 11, cuando la velocidad de avance es pequeña en el momento inicial, la altura del diente formado aumenta lentamente, lo que se debe a que el diente la parte superior del dado es delgada y afilada. En este momento, el metal de flujo radial extruido por la parte superior del diente del troquel también es relativamente menor. Con el aumento gradual de la alimentación, el grosor del perfil del diente de la matriz del engranaje que penetra en la pieza de trabajo también aumenta gradualmente y la velocidad del aumento de la altura del diente de la pieza de trabajo se acelera. Como muestra la Fig. 11, al comienzo del laminado, cuando la cantidad de alimentación aumentó de 0 a 0,55 mm, la altura del diente de la pieza de trabajo aumentó en 0,02 mm, y cuando la cantidad de alimentación aumentó de 5,85 a 6,35 mm, la altura del diente de la pieza de trabajo aumentó en 0,5 mm. En la última etapa del avance, una velocidad de avance menor puede obtener un mayor aumento de la altura del diente.

La relación de la cantidad de alimentación y el aumento de altura del diente formado.

La distribución de la tensión del diente formado en las diferentes etapas del proceso de laminación del engranaje se muestra en la Fig. 12, en la etapa de penetración, la tensión efectiva de la región deformada en contacto con el perfil del diente del troquel del engranaje, en comparación con la cercana al corazón de diente formado, es mayor y la tensión cerca del corazón es casi 0, lo que sugiere que en el proceso de laminado, la deformación ocurre principalmente dentro de un cierto rango desde la superficie de la pieza de trabajo. En la etapa de formación, en comparación con la etapa anterior, la región con gran deformación efectiva se vuelve más grande, principalmente en la zona de la raíz del diente formado. Con el aumento gradual de la alimentación, el área con mayor tensión se expande aún más. La deformación efectiva cambia gradualmente a lo largo del ancho del diente formado y cae a menos de 0,75 en el centro. Actualmente, existe una gran diferencia en la distribución de la tensión entre los dos lados del perfil del diente, lo que indica que se produce el defecto asimétrico de los perfiles izquierdo y derecho del diente formado. Cuando la cantidad de alimentación alcanza el 100 %, la deformación efectiva en el centro del ancho del diente formado aumenta, lo que indica que el metal en el centro también tiene deformación por extrusión. Además, la asimetría de la tensión efectiva en ambos lados del perfil del diente es cada vez más grave. Mientras que el defecto de la asimetría del perfil de los dientes izquierdo y derecho puede reducirse mediante el proceso final de alternar la rotación hacia adelante y hacia atrás, según nuestro estudio anterior2. En cuanto a la distribución de la tensión después del rodillo de acabado, en comparación con la del rodillo de engranajes, el contorno de la tensión cambia en la parte superior del diente, especialmente en dos lados, causado por la compresión del rodillo de acabado, lo que da como resultado la reducción del defecto de oreja de conejo. y la tensión en los dos lados de la parte superior del diente aumenta. Cuando finaliza la alimentación, no se produce el defecto de la oreja de conejo, la calidad de formación es excelente.

El contorno de tensión del diente formado después de rodar el engranaje y terminar en cierto paso.

De acuerdo con los resultados de elementos finitos, al comparar los resultados de formación de dos condiciones, con el rodillo de acabado y el rodillo sin acabado, se puede calcular que en la etapa inicial de laminado, en la condición de rodillo sin acabado debido a la la fricción causada por el deslizamiento relativo y la compresión del espacio entre dientes de la pieza de trabajo por el diente de la matriz del engranaje, el flujo de metal de los dos lados de los perfiles en la parte superior del diente y el área central de la pieza de trabajo son diferentes, lo que resulta en la deformación de la depresión en el área central y la protuberancia en ambos lados en la parte superior del diente de la pieza de trabajo. Con el aumento del avance, el perfil del diente del troquel del engranaje penetra en la pieza de trabajo continuamente, el perfil del diente de la pieza de trabajo continúa creciendo y las protuberancias a ambos lados de la parte superior del diente se acumulan continuamente hasta el final de la formación. Las orejas de conejo se forman a ambos lados de la parte superior del diente de la pieza de trabajo. Como se muestra en la Fig. 13, cuando la cantidad de alimentación es del 33 %, la altura de la oreja de conejo en la parte superior del diente es de 0,1 mm, y cuando la cantidad de alimentación es del 66 %, la altura se acumula en 0,28 mm. Finalmente, cuando se completa la formación, la altura se acumula a 0,59 mm. En este punto, si la raíz del perfil del diente del troquel del engranaje continúa apretando y terminando la parte superior del diente de la pieza de trabajo, se producirá el plegado del metal. En cuanto a la condición de agregar el rodillo de acabado, las protuberancias a ambos lados de la parte superior del diente de la pieza de trabajo en cada etapa son aplanadas por el rodillo de acabado y no se acumularán las protuberancias de la parte superior del diente. Con la alimentación continua del troquel del engranaje, el perfil del diente de la pieza de trabajo se alarga completamente y no hay protuberancias en la parte superior del diente, lo que significa que no se requiere extrusión ni acabado de la parte superior del diente de la pieza de trabajo. No hay ningún defecto de plegado de metal en la parte superior del diente y la calidad de formación es excelente. Además, se lleva a cabo el experimento de rodadura de engranajes. La forma del diente enrollado se muestra en la Fig. 14, en la que se puede deducir que la parte superior del diente está bien formada. Se puede verificar que el defecto de plegado de metal en la parte superior del diente se puede eliminar de manera efectiva agregando el dispositivo de rodillo de acabado.

Las comparaciones de los resultados de conformado en dos condiciones, con rodillo de acabado y rodillo sin acabado.

El diente formado de la pieza de trabajo sin defecto de plegado de metal utilizando un dispositivo de rodillo de acabado.

En este artículo se propone un nuevo proceso de laminado de engranajes con rodillo de acabado diseñado. El modelo matemático de la relación de movimiento del rodillo de acabado durante el proceso de formación de engranajes se establece y resuelve mediante cálculo numérico. Con el modelo de movimiento, se lleva a cabo la simulación numérica y la investigación experimental relevante, y se analiza el plegado de metal en la parte superior del diente formado en el proceso de laminación de engranajes con rodillo de acabado. Las principales conclusiones de este trabajo son las siguientes:

Durante el proceso de formación de engranajes, en el momento inicial, la altura del diente formado aumenta lentamente, lo que se debe a que la parte superior del diente de la matriz es delgada y afilada. Con el aumento gradual de la alimentación, el grosor del perfil del diente de la matriz del engranaje que penetra en la pieza de trabajo también aumenta gradualmente y la velocidad del aumento de la altura del diente de la pieza de trabajo se acelera.

De acuerdo con los resultados de la simulación, con el rodillo de acabado, las protuberancias a ambos lados de la parte superior del diente de la pieza de trabajo en cada etapa son aplanadas por el rodillo de acabado y no se acumularán las protuberancias de la parte superior del diente. Con la alimentación continua del troquel del engranaje, el perfil del diente de la pieza de trabajo se alarga completamente y no hay protuberancias en la parte superior del diente, lo que significa que no se requiere extrusión ni acabado de la parte superior del diente de la pieza de trabajo.

Se lleva a cabo el experimento de rodadura de engranajes con el rodillo de acabado y se puede verificar que el defecto de plegado de metal en la parte superior del diente se puede eliminar de manera efectiva agregando el dispositivo de rodillo de acabado.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Esta investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Subvención No. 52204397), la Fundación de Ciencias Naturales de la Provincia de Shanxi (Subvención No. 20210302123103), el Proyecto Principal de Ciencia y Tecnología de la Provincia de Shanxi (Subvención No. 20181102016) y la Fundación de Ciencias Postdoctorales de China (Subvención No. 2021M702544).

Facultad de Ingeniería Mecánica y de Vehículos, Universidad Tecnológica de Taiyuan, Taiyuan, 030024, Shanxi, República Popular de China

Xiaobin Fu, Peng Chen y Xiaobao Ma

Centro de Investigación de Ingeniería de Tecnología y Equipos de Formación de Compuestos Metálicos Avanzados, Ministerio de Educación, Taiyuan, 030024, Shanxi, República Popular de China

Xiaobin Fu, Peng Chen y Xiaobao Ma

Instituto de investigación de inspección de calidad de productos de Shandong, Jinan, 250102, Shandong, República Popular de China

Jiankang Wang y Guangqing Liu

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PC realizó la simulación y los experimentos. XF y XM proporcionaron soporte experimental. GL y JW proporcionaron consejos innovadores. Todos los autores leyeron y aprobaron el manuscrito final.

Correspondencia a Peng Chen o Xiaobao Ma.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Fu, X., Chen, P., Wang, J. et al. Estudio sobre la reducción de defectos de plegado de metal en la parte superior del diente formado con rodillo de acabado en el proceso de laminación de engranajes. Informe científico 13, 4691 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31767-6

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Recibido: 31 de octubre de 2022

Aceptado: 16 de marzo de 2023

Publicado: 22 de marzo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-31767-6

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