MATRICERÍA. Generalidades: La Matricería es una rama de la Mecánica que estudia y desarrolla la técnica de fabricación de utillajes adecuados para obtener piezas en serie, generalmente de chapa metálica, sin arranque de viruta. Por extensión, se llaman procesos de Matricería aquellos procedimientos de corte o deformación de la chapa sin arranque de viruta, que se llevan a cabo mediante un utillaje llamado matriz o troquel.
Matrices.
Comparación de métodos. Ventajas y desventajas de la Matricería: A diferencia de otros procedimientos como el Mecanizado por arranque de viruta o la Soldadura, la Matricería es una tecnología cuya aplicación en procesos de fabricación de pieza única no resulta viable. El empleo de utillajes muy costosos, de elevada precisión y únicamente válidos para una forma o diseño de pieza, aconseja la Matricería como proceso de fabricación apropiado para grandes series de piezas. Sólo en este caso la amortización de los utillajes repercute mínimamente en el coste final del producto matrizado. La producción de piezas por Matricería es rápida, oscilando el número de piezas p iezas producidas entre 12-13 piezas por minuto (embutición de laterales para automóvil) y 1200 piezas por minuto (producción de pieza plana). Los procedimientos de deformación sin arranque de viruta garantizan el procesado de la chapa bajo tolerancias geométricas y dimensionales cuyos valores son mínimos. Además, las operaciones de matrizado no alteran, prácticamente, el acabado superficial de las piezas obtenidas. Considerando que la chapa laminada para trabajos de Matricería posee unos valores mínimos de rugosidad, puede afirmarse que la calidad superficial de los productos matrizados es, cuando menos, excelente. La gran mayoría de productos de chapa no pueden ser fabricados por otros métodos sin afectar de f orma negativa a la precisión del producto, su resistencia mecánica y los tiempos de producción. Por todo ello y salvo alguna excepción, la Matricería se consolida como un método de fabricación insustituible, cuyos resultados superan con creces los obtenidos por otros procedimientos. Antecedentes y situación actual de la industria matricera: mat ricera: Los primeros trabajos relacionados con la técnica de que se tiene constancia, consistieron en la acuñación de moneda y se llevaron a cabo en el siglo VII a.C. en Lidia (península de Anatolia), actualmente Turquía. Pero, la técnica, tal y como la conocemos hoy día, cuenta escasamente con algo más de un siglo de vida. A finales del siglo XIX, los procesos metalúrgicos se limitaban a la fundición de piezas metálicas, al mecanizado de piezas por arranque de viruta y al ensamblaje de las mismas. El nacimiento de la industria
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automovilística y la fabricación en cadena propiciaron la búsqueda de nuevas técnicas productivas que permitieron reducir tiempos y abaratar costes de material y mano de obra. A principios del siglo XX, muchos de los componentes de los primeros coches se fabrican a partir de chapa metálica, mediante procesos de Matricería. Las enormes posibilidades que ofrece esta técnica junto con el desconocimiento de algunos materiales, como los plásticos, facilitan la expansión de la industria matricera hacia otros sectores como el naval o el ferroviario durante los años veinte y, más tarde, hacia el sector aeronáutico. Durante la Segunda Guerra Mundial, la necesidad de tener más y mejor armamento por parte de los países beligerantes, acelera el desarrollo de este sector metalúrgico. Alemania, Gran Bretaña y Estados Unidos se consolidan así como principales países productores. Desde 1945 hasta principios de los setenta los países industrializados se dedicaron además, a la producción de todo tipo de bienes de consumo, ampliando así los sectores en los cuales interviene esta técnica. Actualmente, el País Vasco y Cataluña están a la cabeza de la producción nacional y ocupan un puesto destacado en la industria matricera de la UE con el sector del automóvil en cabeza, aunque también está en otros sectores: aeronáutico, naval, ferroviario, eléctrico, electrónico, informático… y de bienes de consumo y equipamientos.
Piezas obtenidas por distintos procesos de Matricería.
Procedimientos de transformación de la chapa: Los procedimientos de transformación de la chapa más usuales son el corte, el doblado y la embutición, aunque existen otros trabajos similares que derivan de éstos. Corte: Cizallado, Punzonado, Muescado, Muescado, Recortado, Corte interrumpido, Recalcado, Corte fino o de precisión. Conformado: Doblado: Curvado, Enrollado, Engrapado, Perfilado. Embutición: Bordonado, Reducido, Abombado, Abocardado Extrusionado. Otros Procesos: Repulsado, Estampado, Acuñado.
Corte: Separación, Corte: Separación, mediante punzón y matriz, de una parte del material a lo largo de una línea definida por el perímetro de ambos elementos. Es el proceso más común en Matricería. La pieza que se aprovecha es normalmente el trozo de chapa, pero también puede ser el resto de la l a placa, o bien los dos.
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En principio, la forma del agujero puede ser cualquiera. Para hacer una pieza con un determinado perfil, se pueden necesitar varios cortes realizados por varios punzones.
Punzonado: Punzonado: Corte total que se realiza en el interior del perímetro de una pieza, según una geometría diferente al contorno exterior, mediante punzón y matriz. Corte fino o de precisión: precisión: Modalidad Modalidad de corte que se usa para la obtención de piezas de gran responsabilidad de trabajo, en especial sobre su pared lateral, como pequeños engranajes, levas, trinquetes, etc. Con este proceso, en la superficie del espesor de la pieza no se produce desgarro ni rotura al seccionarse el material. Así, la geometría de su pared se conserva prácticamente inalterada y fiel al contorno de la pieza. Doblado: Modificación Doblado: Modificación de una placa lisa formando dos o más planos distintos y en consecuencia, un ángulo o ángulos de aristas más o menos definidas entre ambos planos. La arista no puede ser viva, sino que debe darse un pequeño radio para evitar que parta la pieza.
Curvado: Darle Curvado: Darle a una chapa forma de superficie curva. Cuando se hace el curvado de piezas huecas o tubos hay que realizar ciertas acciones.
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Enrollado: Similar al curvado.
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Bordonado: Forma que se le da a la chapa para que adquiera resistencia y rigidez.
Rebordeado: Rebordeado: Bordonado que se hace en el borde de la chapa para darle rigidez.
Perfilado: Curvado Perfilado: Curvado o doblado longitudinal para la obtención de perfiles.
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Engrapado: Unión de dos piezas o dos partes de una, por medio de un doblez.
Embutición: Fabricación Embutición: Fabricación de cuerpos huecos por la deformación de una chapa previamente cortada.
Abombado: Ensanchamiento Ensanchamiento de partes de piezas embutidas.
Reducido: Disminución Reducido: Disminución del diámetro de una pieza en una parte de ella.
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Extrusión: Proceso Extrusión: Proceso en el que mediante un émbolo o punzón, se presiona al material obligándole a salir por el orificio de una matriz, el cual da forma a la pieza. Efecto del calentamiento en la deformación plástica: Al deformar un metal en frío se le comunica
energía por lo que pasa a una estado inestable, pues ahora su energía es mayor que antes de deformarlo. A la temperatura ambiente la velocidad con la que pasa a la forma estable es muy lenta, pero se puede aumentar subiendo su temperatura. Con ello se incrementa la agitación térmica y por ello, la movilidad atómica. Hay una temperatura en la que se forman cristales nuevos y el metal recupera sus propiedades anteriores a la deformación plástica, se llama Temperatura de Recristalización (Tr) Si conformamos el metal por encima de Tr, aumenta la capacidad de deformación de los granos y disminuye la resistencia de los bordes de grano, por lo que podemos deformar más fácilmente y generamos menos tensiones en el material. Como inconveniente tiene que suele cubrirse la superficie de una película de óxido perjudicial. Podemos tomar el valor de Tr = 0,42 Tf (en Kelvin).
Así tenemos para Al (150ºC), Cu (200ºC), Fe (400ºC) como valores aproximados. Si trabajamos por encima de Tr lo llamamos conformación en caliente y por debajo en frío. Extrusión en frío:
Dos tipos: inversa y directa.
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Extrusión en caliente: caliente: La temperatura favorece la deformación. Iguales tipos que en frío.
Piezas obtenidas por distintos procesos de Matricería.
Corte: El proceso de corte consiste en la separación, mediante punzón y matriz, de una parte del material a lo largo de una línea definida por el perímetro de ambos elementos. Este
procedimiento
metálicos,
aunque
se
usa
también
principalmente pueden
ser
sobre
materiales
cortados
polímeros
termoplásticos y elastómeros, cartón prensado, papel, cuero, madera, etc. Los espesores de chapa que se pueden cortar por este procedimiento oscilan entre 0,1 y 20 mm. Por ejemplo en el sector eléctrico se trabaja con chapas de 0,2 a 1 mm. En automoción, se usan chapas de 0,7 a 1 mm para carrocerías y de 1 a 4 mm para piezas estructurales, aunque algunas piezas, como las llantas para ruedas, rondan espesores de de 6 a 8 mm. Se llegan a cortar cortar chapas de de 20 mm de espesor en la fabricación de cribas para maquinaria de tratamiento de áridos. Descripción de un proceso de corte con pisado de la chapa: (Figura). En el corte, la inmovilización del material durante el desarrollo de la operación juega un papel decisivo para la obtención de productos acabados de calidad. Además, los punzones van guiados en toda su longitud, lo cual evita su rotura por la extracción forzada del material. Una vez montada la matriz en la prensa y estando en su posición de reposo, la chapa a cortar se coloca en la matriz. (1).
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Al accionar la máquina, el cabezal inicia su carrera de descenso y el pisador ejerce la presión necesaria para sujetar la chapa mientras dure el proceso. (2) Instantes antes de que el cabezal de la prensa alcance el final de su recorrido, el punzón presiona la chapa y ejerce un esfuerzo capaz de seccionar limpiamente las fibras fi bras del material. (3) Cuando la prensa ha llegado a su extremo inferior el punzón se halla alojado dentro de la matriz, habiendo cortado la chapa. (4) En la última fase del proceso el cabezal de la prensa vuelve a su posición inicial, liberando la chapa y extrayendo el recorte de material adherido al punzón en el preciso instante en que éste se esconde en el pisador. (5) Al llegar a la posición de reposo, la prensa está lista para iniciar un nuevo ciclo, previamente retirado el material cortado. (6) Fenómenos que se manifiestan durante el corte de la chapa: Es necesario tener en cuenta los cambios físicos que se producen en la chapa, pues de ello depende el resultado final del proceso. Fases: 1. El punzón incide sobre la chapa imprimiendo un esfuerzo perpendicular al sentido de las fibras del material. 2. Al
continuar
presionando,
se
produce
un
endurecimiento del material en la zona de corte por efecto de la compactación del material cercano a los filos de corte del punzón y la matriz. 3. Las fibras continúan siendo comprimidas y la rotura del material se produce una vez que el punzón ha penetrado en, aproximadamente, un tercio del espesor de la chapa. En este instante, las fibras están seccionadas, pero la chapa continúa formando una única masa. 4. El punzón atraviesa el material en todo su espesor, momento en el que se separa completamente la porción de chapa comprimida entre los filos del punzón y matriz.
Efectos producidos en la pieza por el corte de la chapa: Las piezas correctamente cortadas presentan presentan en su pared de corte, sea cual sea su espesor, una franja laminada o brillante de una anchura equivalente, aproximadamente, a un tercio del mismo espesor de material a cortar. Esta franja aparece en la cara opuesta a las rebabas de la pieza como consecuencia del rozamiento generado por la penetración del material en la matriz o bien por el rozamiento producido por la penetración del punzón en el material, según sea la operación de corte o de punzonado. La franja brillante o laminada se manifiesta hasta el punto donde se produce la rotura de las fibras del material.
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En los dos tercios restantes de la pared del material, se produce una zona rugosa debida a la rotura, formándose un ángulo ficticio con respecto a la pared de corte o
o
de entre 1 y 6 , una vez que fueron seccionadas las fibras del material. En esta zona rugosa y por efecto de la rotura, la medida nominal de la pieza matrizada suele ser menor (alrededor de un 5% del espesor), oscilando sus valores entre pocas centésimas y varias décimas de milímetro.
Fuerzas desarrolladas durante el corte de la chapa: El corte de la chapa se produce mediante la fuerza generada por la prensa sobre una matriz o útil de trabajo. Los esfuerzos a considerar en el corte son tres:
Fuerza de corte o cizallado.
Fuerza de extracción del punzón una vez cortada la l a chapa.
Fuerza de expulsión de la pieza procesada que queda alojada en la matriz.
Fuerza de corte (Fc): Esfuerzo necesario para lograr separar una porción de material de una pieza de chapa, mediante su corte. Como toda fuerza, se expresa en N, aunque también se usan kg y Tm. La Fc necesaria para cortar una pieza de chapa es proporcional a la resistencia a la cizalladura (Kc) del material, a su perímetro de corte (p) y a su espesor (e). F c
=
2
K c pe ; Fc expresada expresada en N, N, Kc constante o coeficiente coeficiente de corte del del material, en N/mm o MPa
p perímetro en mm, e espesor en mm La Fc puede ser reducida haciendo el plano útil de los punzones con cierta inclinación. Así, estos punzones trabajarán penetrando lenta y progresivamente en el material a cortar, a modo de cizalla. Téngase en cuenta que una gran inclinación puede deformar la chapa por que el punzón inicia el ataque concentrando toda la Fc en un solo punto del material. El ángulo para el afilado de punzones debe ser mínimo, tomando el siguiente valor: 1 tan α
=
e 3 , siendo: L
ángulo de inclinación o afilado del punzón
α
e, espesor de la chapa en mm L, longitud del plano de corte sobre el que se hará el afilado, en mm
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Fuerza de Extracción (Fext): Esfuerzo que se requiere para separar los punzones del trozo de chapa adherida a éstos, una vez efectuado el corte. Se expresa en N, y depende de la naturaleza del material a cortar, de su espesor, de la forma fo rma de la figura y del material circundante a su perímetro de corte. Se calcula aplicando un porcentaje (entre el 2 y el 7%) sobre Fc del perímetro a cortar. F ext
=
F c x%
Coeficiente a aplicar para el cálculo de la Fext de la chapa:
x = 2%. Cuando el material circundante a la figura es mínimo, pudiendo éste abrirse o expandirse, separándose casi casi por sí solo del punzón.
x = 4%. Cuando la pieza presenta formas irregulares o tiene algún entrante en su perímetro de corte, en el caso en que exista poco material alrededor de la figura a cortar.
x = 7%. Cuando el corte se efectúa en plena chapa, con bastante material alrededor del corte, el cual tiene tendencia a quedarse fuertemente sujeto al punzón. También en el caso de corte interior o punzonado de figuras irregulares, con formas entrantes y salientes.
Ante la duda, es preferible aplicar el coeficiente máximo (7%) para evitar problemas, especialmente en las matrices que realizan la extracción mediante sistemas elásticos.
Fuerza de Expulsión (Fexp): Al finalizar el corte, la pieza recién cortada tiene tendencia, por expansión o por rozamiento, a quedarse adherida en el interior de la matriz. Esta adherencia o rozamiento de las piezas en el interior de la matriz representa un esfuerzo adicional a tener en cuenta, y lo llamaremos Fexp, siendo su valor aproximado de: F exp
=
F c 1,5%
Franquicia (F) o Tolerancia de corte: Es la holgura que se deja entre punzón y matriz de un mismo perfil para aliviar la expansión del material producida por el efecto de la presión de los elementos cortantes sobre la chapa. Es muy importante para el resultado final del producto fabricado y para la conservación de las herramientas de corte.
Tolerancia grande
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Tolerancia nula
Tolerancia correcta
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Una tolerancia de corte demasiado grande permite una fluencia excesiva de la chapa entre el punzón y la matriz, de forma que no existe la compactación necesaria para que se produzca la rotura. Así, las piezas aparecen con grandes rebabas y pequeños desprendimientos de material que se incrustan alrededor de la arista de corte del punzón y la matriz, provocando melladuras o la rotura de la herramienta. Una tolerancia nula o insuficiente impide la expansión del material presionado entre el punzón y la matriz; así, la falta de fluencia de la chapa y el aumento de presión de los elementos de corte generan fuerzas de sentido radial sobre las herramientas, lo que acaba con su rotura. Los esfuerzos generados en una matriz con una Tolerancia correcta, no producen desprendimientos de material ni incrustaciones por la expansión del material. En la tabla siguiente se dan unos valores orientativos
de
las
Franquicias
o
Tolerancias de corte a aplicar en función de la resistencia del material y de su espesor.
De
todos
modos
es
recomendable efectuar algún ensayo previo a la fabricación de la matriz definitiva, pues existen otros factores determinantes:
acritud
del
material,
laminación, o forma en que se ha mecanizado el hueco de la matriz, que afectan de manera directa al proceso de corte. Fig: Valores de Franquicia (F) o Tolerancia de corte en µm.
¿Aplicaremos la Tolerancia al punzón o a la matriz?
Depende del tipo de corte a efectuar sobre la chapa. Si queremos cortar el perímetro exterior de una pieza, la matriz deberá tener la medida nominal y habrá que restar el valor de la Franquicia al punzón que será más pequeño que la medida de la pieza. Si queremos hacer un corte interior o punzonado, el punzón tendrá la medida nominal y a la matriz deberemos sumarle el valor de la Tolerancia. La tabla adjunta no es válida para determinados materiales blandos, como el plomo, estaño o aluminio 2
2
(Kc = 70 a 100 N/mm ) y sus aleaciones (Kc hasta 375 N/mm ), cuyos valores de Tolerancia de corte se estiman entre 8 y 12% de su espesor. Esto es debido a que la gran expansión lateral de estos materiales en el corte, produce un rozamiento de los bordes de la pieza contra la pared de la matriz, lo cual da origen a piezas de corte defectuoso.
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Corte. Para obtener una pieza de una lámina metálica, se retira material de un rollo metálico (generalmente), mediante corte o cizallado. La lámina está sometida a esfuerzos de corte con un punzón y una matriz.
Por lo general, el corte se inicia con la formación de grietas en la parte superior e inferior de la pieza. Al final estas grietas se encuentran una con otra y sucede la separación completa. Las superficies rugosas de fractura se deben a estas grietas; las superficies pulidas, lisas y brillantes son el resultado del contacto y roce del lado cizallado contra las paredes del punzón y de la matriz, respectivamente. respectivamente.
Los principales parámetros del proceso de cizallado son:
Forma del punzón y de la matriz.
Velocidad del punzonado.
Lubricación.
Holgura entre el punzón y la matriz.
La holgura es un factor muy importante para determinar la forma y calidad del filo cizallado. Al aumentar la holgura, la zona de deformación se vuelve más grande y el lado cortado más rugoso. La chapa tiende a moverse hacia la región de la holgura, y el perímetro, de la zona cortada, se vuelve más rugoso. Pueden necesitarse operaciones secundarias secundarias para hacerlas más lisas (l o que incrementa el coste de producción).
La calidad del lado cortado se mejorará si aumentamos la velocidad del punzón, que puede llegar a ser de 10 a 12 m/s.
La relación del área bruñida contra las zonas rugosas a lo largo del lado cizallado aumenta al incrementarse la ductilidad de la hoja metálica, y disminuye al aumentar el espesor y la holgura de la hoja.
La extensión de la zona de deformación en la figura 16.3 depende de la velocidad de punzonado. Si ésta se incrementa, el calor generado por la deformación plástica se sitúa en un área cada vez más pequeña. En consecuencia, la zona cizallada es más estrecha y la superficie cortada más lisa, además de que muestra menos formación de rebabas. La altura de éstas aumenta al incrementarse la holgura y ductilidad de la l ámina metálica. Los filos gastados de las herramientas contribuyen en gran medida a la formación de rebabas, cuya altura, forma y tamaño pueden afectar significativamente a las l as operaciones posteriores.
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