DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE TROQUELES PARA PEQUEÑAS Y GRANDES SERIES

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE TROQUELES PARA PEQUEÑAS Y GRANDES SERIES MANUEL MALLO GALLARDO

ÍNDICE RESUMEN INTRODUCCIÓN CAPITULO 1:CÁLCULOS PREVIOS AL DISEÑO Generalidades Formas de recibir una tarea de diseño de un troquel. Cálculos constructivos Disposición de corte (ordenamiento) Realización practica de la disposición de corte Situación de los punzones Determinación del valor de fuerza requerido por el troquel y posición de su resultante Centro de fuerza de arcos de círculos Centro de fuerzas del sistema Cálculo del juego de corte Determinación de las dimensiones de los elementos cortantes teniendo en cuenta el desgaste Recortado Punzonado CAPITULO 2: DISEÑO DEL TROQUEL Matriz de corte

UO-CM-71: HOJA 1 UO-CM-71: HOJA 2 Selección de una armazón de columnas Punzones

UO-CM-72: HOJA 1 UO-CM-72: HOJA 2 Elementos encargados de dar o asegurar el paso y centrado de las piezas Topes Localizadores Punzones de paso (recortadores laterales) Otros elementos de troqueles Levas Elementos elásticos CAPITULO 3: TROQUELES PARA PEQUEÑAS SERIES Variantes de diseño para troqueles de pequeñas series Materiales de posible empleo alternativo en troqueles para pequeñas series CAPITULO 4: CÁLCULOS COMPLEMENTARIOS Elección de la prensa Cálculo de la norma de consumo, factor de aprovechamiento y cantidad de material necesaria CAPITULO 5: CONSTRUCCIÓN Y VERIFICACIÓN DE TROQUELES BIBLIOGRAFIA

3 4 5 5 9 10 10 12 15 18 20 21 23 24 25 25 28 29 34 37 41 44 47 48 49 51 52 53 55 55 56 58 58 61 63 63 64 68 76

CAPITULO 1 CÁLCULOS PREVIOS AL DISEÑO Generalidades Los procesos de conformado en frío pueden dividirse (según NC 09-01) en dos grandes grupos: de separación de partes y de traslación de partes En la tabla 1.1 se presenta la información correspondiente al primero de estos grupos, mientras la 1.2 lo hace para el segundo. De esta clasificación llamamos a fijar bien los términos empleados en los encabezamientos. (Trabajos básicos, operaciones básicas y operaciones simples). Tabla 1.1 Procesos de separación de partes TRABAJOS Y OPERACIONES OPERACIONES SIMPLES BÁSICAS Corte simple Punzonado SEPARACIÓN Recortado DE PARTES Corte Corte periférico Repasado Corte parcial Rotura Sacabocado

Las herramientas para realizar estos procesos reciben en nuestras normas nacionales el nombre general de troqueles, aunque no debe desconocerse que otras denominaciones encuentran frecuente empleo. Así en libros españoles es común el empleo de los términos “matrices” y “estampas” e igualmente personas con estudios en países extranjeros emplean este último término por su semejanza con la voz en esos idiomas. En términos muy generales puede decirse que un troquel es una herramienta de conformar que para realizar su función debe ser montada sobra una maquina herramienta llamada prensa que le brinda la fuerza y movimientos necesarios. Los componentes principales de un troquel son: una matriz (pueden ser más), que generalmente se fija a la mesa de la prensa y el o los punzones que van montados en el carro móvil de la propia prensa. El proceso general de conformado se produce al descender los punzones fijados al carro y por su interacción con la matriz. Los troqueles pueden ser clasificados atendiendo a diferentes puntos de vista. Así tendremos una primera forma de dividirlos de acuerdo con las operaciones que realizan en:

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Tabla 1.2 Procesos de traslación de partes TRABAJOS Y OPERACIONES OPERACIONES SIMPLES BÁSICAS Doblado simple Doblado Enrollado Rebordeado Engrampado Enderezado Embutido Embutido simple Embutido con estricción Repujado Rebordeado de TRASLACIÓN agujero DE Expansionado PARTES Reducción Conformación tensionada Acuñado Acuñado

Extrusión

Varios

Extrusión revertida Extrusión simple Extrusión combinada Extrusión lateral Aplanado Recalcado Remachado Calibrado

1. Troqueles simples (aquellos que realizan una sola operación simple) (ejemplos: troqueles de recortado, de punzonado, de embutido simple, etc.). 2. Troqueles progresivos (realizan más de una operación simple sobre una pieza en forma no simultánea, entendiéndose aquí como “simultánea” en una carrera de la prensa y no necesariamente la exacta concordancia en tiempo de las diferentes operaciones). Y 3. Troqueles combinados (realizan más de una operación simple sobre una pieza, pero en forma simultánea, es decir en la misma carrera). Una segunda forma de división es aquella que tiene en cuenta el número de piezas terminadas simultáneamente, y los tipos serían. 1. Troqueles sencillos (fabrican una pieza por carrera). 2. Troqueles múltiples (más de una).

3 Tercera división: Según la materia prima o pieza en bruto que procesan. Se distingue entre: 1. Troqueles que trabajan sobre piezas individuales y 2. Troqueles que trabajan sobre tiras o rollos (para obtener de ellos mas de una pieza). Una cuarta división atiende a la existencia o no y tipo de guía entre punzones y matrices, así se tiene: 1. Troqueles de corte libre o sin guías. 2. Troqueles con placa guía 3. Troqueles con armazón de columnas y 4. troqueles con otras guías. Las siguientes figuras nos deben ayudar a comprender los diferentes tipos de troqueles. La figura 1.1 nos muestra un troquel de corte libre (no hay dentro de la herramienta nada que guíe el punzón respecto a la matriz); simple (solamente recorta) y sencillo (un disco por carrera) Se trata en este caso de un troquel diseñado para una producción de pequeña serie y cuya dimensión obliga a trabajar sobre piezas individuales cuadradas previamente cortadas en cizallas. El vástago visible en la figura es el elemento empleado en la casi totalidad de los troqueles para unir los punzones al carro de la prensa. La figura 1.2 por su parte nos muestra un troquel también simple y sencillo pero ahora con placa guía, la cual asegura una mayor exactitud en el corte y eleva con ello la vida total de los elementos

Figura 1.1: Troquel de corte libre

cortantes. En la figura se observa que el troquel trabaja sobre una cinta de metal que se desliza entre las dos reglillas que separan la matriz de la placa guía y de la cual obtiene por recortado una pieza en cada carrera.

Figura 1.2: Troquel con placa guía.

4 En la figura 1.3 observamos nuevamente un troquel con placa guía, sencillo (una pieza por carrera) pero ahora progresivo, pues el mismo realiza sobre cada pieza dos operaciones simples (punzonado de dos agujeros y recortado final de la pieza) en dos carreras sucesivas. Otros elementos de este troquel se enumeran en la figura y serán tratados mas adelante. La figura 1.4 nos muestra otro troquel cuyas características son muy similares al de la figura 3, solo que el mismo esta montado sobre una armazón de columnas, lo que le asegura una aún mas larga vida a sus elementos cortantes (evidentemente a costa de una elevación de su precio, por lo que es fácil darse cuenta que se empleará solamente para series grandes de piezas). Dejamos al lector como tarea la identificación de las partes componentes del troquel.

Figura 1.3: Troquel progresivo con placa guía. En la figura: 1-vástago de sujeción a la prensa, 2-placa superior del conjunto portapunzones, 3-placa de apoyo, 4-placa portapunzones, 5-punzón de recortado, 6-localizador o piloto, 7placa guía, 8-matriz de corte, 9-placa base, 10-reglillas laterales, 11punzones de punzonado, 12-rejilla protectora, 13-tope inicial (lateral), 14tope fijo, 15-cinta con disposición de corte (pieza en bruto), 16- apoyo de cinta.

Figura 1.4: Troquel con armazón de columnas y sus componentes

En la figura 1.5 vemos troqueles de punzonado de diversas formas con guías propias (generalmente superficies cilíndricas) que se distinguen por su poca dimensión y la posibilidad de poder ser montados rápidamente sobre modernas

5 prensas punzonadoras CNC que son capaces de almacenar varios de ellos en

Magazín porta troqueles

Figuras 1.5: Troqueles individuales de punzonado con guías propias y ejemplo de punzonadora CNC donde se montan.

magazines. La figura de la derecha muestra con mas detalles una de estas punzonadoras CNC. La figura 1.6 nos muestra mientras tanto un troquel combinado muy típico que es capaz de recortar y embutir en una misma carrera una pieza a partir de una chapa.

Formas de recibir una tarea de diseño de un troquel. La forma ideal de recibir el encargo de fabricación de una pieza específica es mediante el acompañamiento de un plano de ella, donde se incluyan Figura 1.6: Troquel combinado que corta y embute, todas sus medidas y a partir de una tira la pieza de la figura. En la figura: tolerancias. 1- botador superior (accionado por la prensa), 2base superior, 3- tornillos del desprendedor móvil, 4- muelle, 5- Punzón-matriz (corta como punzón por su borde exterior y es matriz en el posterior embutido de la pieza), 6- base del botador, 7desprendedor móvil, 8- matriz de corte, 9- punzón de embutido (fijo), 10- Pisador accionado desde abajo (no visible en la figura) a través de los pasadores visibles. 11- base inferior del troquel.

Sin embargo muchas veces la tarea no se recibe así, sino de otras dos formas, la primera de las cuales es muy común.

6 • •

Como una muestra de pieza ya fabricada mediante un proceso de conformado, o Como una muestra o dibujo de una pieza fabricada por otro proceso (ejemplo: fundida o maquinada) y que se pretende ahora conformar.

En los dos últimos casos el primer paso, previo al diseño de las herramientas, consiste en confeccionar el dibujo (diseño o rediseño) de la pieza a ser conformada, de forma tal que cumpla todos los requerimientos de exactitud necesarios en su trabajo (y no menos, pero tampoco más). Realizado este paso, proponemos para el diseño del troquel un orden único, aplicable a la generalidad de los casos y que es el siguiente: Cálculos constructivos. Le llamaremos cálculos constructivos a aquellos que se realizan como paso previo al diseño del troquel y cuya influencia es determinante en este diseño y la forma posterior de emplearlo. Disposición de corte (ordenamiento) Por disposición de corte u ordenamiento de las piezas se entiende la forma en que se colocan las mismas sobre la cinta o tira de chapa a partir de la cual se van a obtener. El ordenamiento de las piezas es, sin lugar a dudas, el paso previo más importante, por su peso, en la concepción del troquel y el mejor aprovechamiento del material de partida. Para realizarlo se debe tener en cuenta: 1. La cantidad de piezas a producir 2. La economía de material 3. Los materiales disponibles 4. El sentido de laminado de la chapa. La cantidad de piezas a producir es el punto de vista fundamental, tanto aquí como en el resto de los casos de selección de un proceso tecnológico cualquiera, y su peso primará en la elección. Una primera decisión, teniendo en cuenta este factor, es decidir si nuestro troquel será sencillo o múltiple, es decir si fabricará una o más piezas por carrera. Es bueno tener presente que una prensa cualquiera, trabajando a régimen continuo, es capaz de dar, como promedio, unas 100 carreras dobles por minuto (prensas modernas pueden hasta triplicar esta cifra). Si en cada carrera se obtiene una pieza, tendremos que en una hora de trabajo se puede disponer de alrededor de 6 000 piezas (100 x 60) por lo que una producción diaria de 50 000 no sería nada excepcional. Estas cifras hacen evidente que los troqueles múltiples se deben reservar solamente para producciones de piezas de gran masividad o sea que en la gran mayoría de los casos nuestros diseños corresponderán a troqueles sencillos.

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El segundo punto de vista en importancia para determinar la disposición de corte es el ahorro de material. Este punto de vista adquiere un peso considerable cuando se elaboran materiales de alto precio (ejemplo aceros inoxidables o aleaciones de cobre). Otros criterios que nos pueden ayudar en el ahorro de material (o más bien a la reducción de su incidencia económica en el precio final de las piezas producidas) son: el empleo de figuras coherentes y la combinación de piezas diferentes para reducir los desperdicios. Estos factores han ganado enormemente en importancia con la actual tendencia mundial de empleo de criterios ecológicos de producción. Se entiende por figuras coherentes aquellas que unidas cierran totalmente un área (como las piezas de un rompecabezas). La figura 1.7 nos muestra un ejemplo. No esta nunca de más intentar rediseños de piezas, previa discusión con los solicitantes, buscando aumentar su grado de coherencia, especialmente cuando esto signifique ahorro de material.

Figura 1.7: Ejemplos de figuras coherentes en una y doble fila, con y sin separación entre piezas

La utilización de sobrantes puede producirse en el mismo troquel en que se produce la pieza o con el empleo de nuevas herramientas. Así en el ejemplo que se muestra en la figura 1.8 se observa como el desecho inicial de la producción (tres discos visibles en la figura central de la tira) es transformado en arandelas por la inclusión de una operación previa de punzonado de tres agujeros en el troquel.

Por otra parte en [2] y [3] se informa de como sobrantes de dos producciones (tapas de tanques y palas) son empleados para producir pequeñas azadas de jardinería y quemadores de cocinas de gas, revalorizando en varias veces el precio del mismo material vendido como chatarra. En este caso la reutilización del material exigió Figura 1.8: Utilización de sobrantes de el empleo de nuevos troqueles. una pieza para producir 3 arandelas en el mismo troquel.

El tercer punto de vista a ser tenido en cuenta para el ordenamiento (materiales disponibles) es circunstancial pero

8 muchas veces real y debe tenerse presente. El cuarto punto (sentido del laminado) es mas sutil pues solo debe observarse para casos particulares tales como piezas esbeltas sometidas a esfuerzos flectores, en cuyo caso la dimensión mayor de estas piezas debe concordar o aproximarse a la dirección de laminado de la chapa de que se obtienen. Realización practica de la disposición de corte Hoy día existen en el mundo varios programas profesiones capaces de realizar estos ordenamientos bajo el criterio general de un máximo aprovechamiento del material (ejemplo PAM-STAMP [4]), en nuestro propio país han sido desarrollados dos pero su uso ha sido muy limitado. [5] [6]. Para el caso que no se disponga de estos programas existen dos formas sencillas de auxiliarse en la tarea: a)- dibujarlas (calcarlas) en papel transparente y b)recortando simultáneamente varias piezas iguales (el dibujo necesita ser realizado solamente en una hoja que es cortada simultáneamente con otras varias que se colocan debajo de ella). Recomendamos iniciar el trabajo, por su facilidad, empleando el segundo método y reservar el primero, de ser imprescindible, para una determinación final más exacta del ancho de tira necesario y otros cálculos complementarios. Para la realización del ordenamiento, en cualquiera de las variantes que se emplee, es imprescindible la fijación de dos parámetros: la separación entre piezas y la distancia de la pieza al borde de la chapa. Información sobre estos dos parámetros se puede encontrar en muchas fuentes (libros, manuales, normas...), bien en forma de tablas, gráficos o valores guías. Normalmente la información se refiere como “valores mínimos” que si bien casi nunca se pueden reducir, si pueden sen aumentados por otros criterios inherentes a: la pieza, troquel, formas de alimentación, futuro empleo del sobrante, etc. Como valores guías para los espesores normales de piezas ofrecemos los siguientes: • La separación entre piezas debe ser como mínimo igual al espesor de la chapa que se corta, pero siempre mayor de un milímetro y rara vez debe sobrepasar un valor de 1,5 este espesor. • La distancia pieza-borde es corrientemente igual a 1,5 veces el espesor de la chapa pero siempre mayor de 1,5 mm. Espesores muy finos se ajustan a Figura 1.9: Ejemplo de pieza a fabricar. otras formas de proceder.

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Un buen ejemplo de lo que puede representar un correcto ordenamiento de piezas es el siguiente (tomado de [7]). Se desea fabricar la pieza de la figura 1.9 a partir de una chapa de 1mm de espesor (s). Siguiendo los criterios recomendados elegimos una separación entre piezas de 1 mm y una distancia pieza-borde de 1,5. El material disponible para el trabajo se encuentra en forma de chapas de 1 x 2 metros. Una primera variante de disposición de corte puede ser acomodar las piezas “acostadas” (Ver figura 1.10, arriba). Este ordenamiento exigiría cortar la chapa de 1 x 2 metros en tiras de 38 mm de ancho (35 +2 (1,5 s)). Estas tiras pudieran tener uno o dos metros de largo según la forma que se decida cortarlas y su número sería: 2000 /38= 52 tiras de un metro de largo, o bien 1000/38= 26 tiras de dos metros. El paso, o distancia a alimentar la chapa para cortar cada nueva pieza en esta variante es de 51 mm (50 +1), por lo que de una tira de un metro saldrían 1000/51= 19 piezas. Esta cifra, multiplicada por el número de tiras de 1 metro que salen de la chapa completa (52) nos dará 19 x 52 = 988 piezas por chapa. Un cálculo similar nos permite apreciar que el número de piezas por tira asciende a 1 014 si empleamos tiras de 2 metros de largo, es decir 26 piezas mas con el mismo ordenamiento y la misma materia prima. Inclusive los Figura 1.10: formas sencillas de ordenamiento de la pieza tiempos auxiliares de la figura 1.9. tienden a reducirse al tener que interrumpir un número menor de veces la producción para buscar una nueva tira (aunque algún operario pudiera querer justificar el empleo de las tiras mas cortas por su facilidad de manejo).

10 Como regla puede enunciarse, aunque deberá siempre verificarse, que mientras más largas sean las tiras, mayor será el aprovechamiento del material y, en caso de existir las condiciones para su empleo, (ver página 49) deberá preferirse el empleo de cintas o rollos de tanta longitud como sea posible. Un segundo ordenamiento, representado en la parte inferior de la propia figura 1.10, con las piezas “paradas” arroja, procediendo de forma similar, una cantidad total de piezas por chapa de 999, es decir que es menos favorable que el anterior. En la figura 1.11 se representan tres nuevas variantes de ordenamiento, en las mismas el cálculo del número de piezas por chapa se va elevando a: 1 258, 1 554 y 1 674 piezas. Para efectuar el cálculo debe tenerse en cuenta la magnitud a introducir inicialmente la chapa para obtener la primera pieza y luego dividir el material restante entre el paso y así saber cuantas más salen de la misma tira. En el caso que de un paso (distancia entre dos puntos semejantes) salgan dos piezas la cifra obtenida se duplica. Las magnitudes necesarias en el cálculo pueden obtenerse con exactitud más que suficiente sobre un dibujo de regular calidad. Una sexta variante (ver figura 1.12) es capaz de brindar 1850 piezas por chapa.

Figura 1.11: nuevas variantes de ordenamiento de la misma pieza de la figura 1.9

Es conveniente repasar las cifras obtenidas. Obsérvese que de una cantidad inicial de piezas por chapa menor

11 de mil se ha llegado a 1 850 es decir se ha casi duplicado la primera cifra, solamente empleando algún tiempo en buscar una buena variante de ordenamiento. Mas adelante veremos que el empleo de las variantes 4 a la 6 no tiene que implicar troqueles múltiples, significativamente más complejos que los sencillos, pues el corte puede realizarse, inicialmente, de las piezas ordenadas en un sentido y luego invertir la chapa y hacerla pasar nuevamente por el troquel para cortar las otras.

Figura 1.12: Variante 6 de ordenamiento de la pieza de la figura 1.9

Situación de los punzones El paso posterior en nuestro diseño es la determinación de la ubicación de los punzones. El proceso se lleva a cabo sobre el ordenamiento ya elegido y consiste en un sencillo rayado (similar al de una sección en dibujo) en los lugares en que trabajarán los mismos. Así por ejemplo en el caso de un troquel simple no existe la más mínima dificultad pues solo hay una posición de corte. Para piezas que requieren más de una operación simple aparece ya la primera disyuntiva: ¿Se hace el troquel progresivo o combinado? Los troqueles combinados ya vimos que son aquellos en los cuales todas las operaciones que lleva una pieza se realizan sobre ella en una sola carrera y se emplean solamente en casos de combinación de pocas operaciones, generalmente dos. (Son por ejemplo comunes para combinaciones de corte y embutido- ver nuevamente la figura 1.6- y de corte y doblado). Otro caso corriente es cuando se conforman piezas de grandes dimensiones que harían inoperante un troquel progresivo por lo difícil e incomodo que resulta, por la dimensión, la alimentación de la chapa entre operaciones. Para el caso de piezas con tolerancias normales (superiores a IT10-11) es corriente que las diferentes operaciones se realicen sucesivamente,

12 progresivamente. Veamos por ejemplo la pieza de la figura 1.13. Se trata de una agarradera para la interconexión de tubos de regadío. Para cualquier pieza no plana el paso inicial debe ser obtener su desarrollo, o pieza plana que, una vez conformada, Figura 1.13: agarradera conformada. (doblada en este caso) nos de exactamente la forma deseada. Para el cálculo de desarrollos nos podemos auxiliar de métodos escritos (ver por ejemplo [8]) o de programas CAD que incluyan esta variante (ejemplo SolidWorks [9]). Una vez realizada esta operación el proceder sería el ya descrito y que aquí se encuentra materializado en la figura 1.14.

Figura 1.14: Izquierda desarrollo de la pieza de la figura 1.13, derecha disposición de corte y fijación de la posición de los punzones

Obsérvese que el estudio inicial del ordenamiento aconsejó, para aumentar el aprovechamiento del material de partida, colocar las piezas alternadas. Sin embargo la cantidad a producir indica que con un troquel sencillo es suficiente y esa determinación se expresa sobre el ordenamiento de la derecha de la figura 1.14 rayando solamente una pieza. Este mismo dibujo nos aclara que el troquel será progresivo (punzona en una primera posición 4 agujeros y una ranura y posteriormente recorta la pieza). La obtención de las piezas alternas exige el virado de la chapa y la realización de las mismas operaciones nuevamente. Dos cosas deben ser conocidas respecto a este proceder: a)- Este es uno de los casos en que puede ser aconsejable el incremento de la distancia entre piezas para que la tira sea lo suficientemente rígida y permita su operación y b)- El diseño del troquel debe permitir el correcto posicionado inicial de la tira en ambas vueltas.

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El criterio más importante para fijar la posición de los punzones es que la proximidad de los cortes no ponga en peligro la resistencia de la matriz. Algunos libros definen esta magnitud en cifras en dependencia de la forma del corte mas cercano (redondo, recto, esquina,). Aquí expresamos como criterio que es preferible gastar unos centavos mas en material alargando una matriz que arriesgarse a que se rompa luego de terminada y tratada térmicamente. La forma de los punzones de corte puede tomar diferentes variantes, así por ejemplo en la figura 1.15 se observa un caso en el que el diseñador prefirió cortar, no la pieza, sino el espacio que queda entre ellas. Esta variante es muy empleada en casos, como este, en que la pieza debe ser sometida a un doblado dentro del troquel progresivo pues el corte intermedio deja libre la parte que necesita ser doblada mientras el resto de la pieza permanece unida a la tira. Existen otros casos en los cuales se hace Figura 1.15: Ejemplo de punzones que cortan el espacio necesario y hasta entre piezas. imprescindible introducir nuevos punzones cuya forma y/o posición no guarda relación inmediata con la de la pieza. Uno de estos casos lo veremos mas adelante cuanto tratemos los elementos encargados de aumentar la exactitud de posicionado de la tira dentro del troquel, sobre todo en troqueles progresivos de muchas posiciones. Otro caso frecuente es el Figura 1.16: El punzón 1 se introduce para reducir la mostrado en la figura 1.16. resistencia de la tira de chapa a los embutidos (2 al 7) de la pieza

14 En esta figura se muestra una variante de un caso corriente: la introducción en un troquel para producir piezas embutidas a partir de una tira de chapa, de un punzonado previo cuya función es reducir la resistencia del material al necesario flujo. En otros casos esta operación es sustituida por la inclusión de cortes parciales, coaxiales a la zona a embutir, y que cumplen la misma función. Como regla general, a la hora de determinar la situación de los punzones, debe observarse que sea de manera tal que los agujeros correspondientes en la matriz estén lo suficientemente separados , como explicamos arriba, así como que, tanto ella como los punzones, sean de elaboración lo mas sencilla posible. Una vez ubicados los punzones en troqueles progresivos, es recomendable ver la posición que ocupa el borde de la chapa que se corta con ellos, en cada uno de los cortes iniciales, previos a la obtención de la primera pieza terminada. El objetivo principal de esta tarea es evitar cortes parciales en punzones esbeltos, pues estos pueden provocar fuerzas laterales capaces de romperlos o, cuando menos, de dañar el filo del lado hacia el cual se flexan producto del corte incompleto. Pueden existir casos en que esta preocupación u otras similares nos lleven a nuevos análisis de ordenamientos, aunque la situación se remedia la mayoría de las veces colocando o cambiando de posición topes iniciales (ver mas adelante). Determinación del valor de fuerza requerido por el troquel y posición de su resultante Para el cálculo de las fuerzas de conformar existen expresiones teóricas o empíricas en muchas fuentes bibliográficas (ejemplo [12] y [13]), o se pueden sencillamente medir en maquinas de laboratorio. Las fórmulas de uso más común son: Fuerza de corte F= Rm ⋅ s ⋅ l Fuerza de doblado en V Fuerza de doblado en U Embutido Donde

4 Rm ⋅ b ⋅ s 3w 2R ⋅ b ⋅ s F= m 3 F= k ⋅ π ⋅ d ⋅ s ⋅ Rm F=

Rm : Resistencia última del material (tabla 1.3) s: espesor de la chapa l: longitud del corte (perímetro) b: ancho de la pieza a doblar

15 w: distancia entre apoyos k: parámetro que se obtiene de la tabla 1.4. El segundo paso, luego de conocido el valor de las fuerzas individuales, es determinar su resultante y el centro de aplicación de la misma. El valor de la resultante, por ser fuerzas verticales que actúan en una misma dirección y sentido, salvo escasas excepciones, es la simple suma de las fuerzas individuales que actúan simultáneamente. En el caso, muy común, de figuras simétricas el centro de fuerzas se determina por simple inspección (ejemplo: cortes redondos, rectangulares, etc.) o, al menos, una de las coordenadas de su posición (sobre el eje de simetría). TABLA1.3 Resistencia última de materiales MATERIAL

Rm (MPa)

Chapa de acero con:

continuación Acero al silicio

650

0,1% C

350

Acero inoxidable

600

0,2 % C

400

Bronce

550

0,3% C

500

Latón

450

0,4% C

600

Cobre

300

0,6% C

750

Aleac. Al-Cu-Mg

400

0,8% C

900

Plomo

30

1% C

1050

Estaño

50

TABLA 1.4 Parámetro k en función de la relación d1/d2. d1/d2.

k

0,675

0,66

0,55

1

0,7

0,6

0,575

0,93

0,725

0,55

0,6

0,86

0,75

0,5

0,625

0,79

0,775

0,45

0,655

0,72

0,8

0,4

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En troqueles progresivos es muchas veces recomendable determinar primero el centro de fuerza de cada figura individual y posteriormente hallar el del sistema. En la figura 1.17 (tomado de [13]), por ejemplo se muestra una forma de corte en la que, si bien los centros de las componentes individuales son conocidos por simple inspección, el de la resultante no lo es. En la figura se muestra la solución del caso por un método gráfico (polígono funicular) y uno analítico -aplicando el teorema de los momentos, según el cual la suma de los momentos de las fuerzas individuales es igual al momento de la resultante. En este caso sencillo es evidente que la fuerza de corte de cada lado recto se encuentra en su centro (punto de simetría).

Figura 1.17: Determinación de un centro de fuerza del corte de una forma no simétrica.

Centro de fuerza de arcos de círculos. Los sectores de círculos forman, junto con los rectos, la casi totalidad de las figuras que se cortan. Por este motivo dedicamos especial atención a la determinación del centro de fuerzas de un arco de círculo. El fundamento teórico del cálculo está dado por uno de los llamados teoremas de Pappus, según el cual: el área engendrada por una línea cualquiera, al girar sobre

17 un eje, es igual a su longitud multiplicada por la del círculo que describe su centro de gravedad alrededor de este eje. Así en el caso general representado en la figura 1.18 el área engendrada por el arco AB al girar sobre el eje XX’, sobre el cual está su centro, será un casquete esférico de superficie: A = 2π x R x h Y según el teorema de Pappus A= arcAB x 2π x OG De donde despejando llegamos a: OG = R x h / arcAB Donde: R: radio del arco h: cuerda del arco, calculable como h= 2R sen α/2 arcAB = arco de longitud = (R x π x α) /180

Figura 1.18: Arco de circulo AB que gira sobre eje XX. G-centro de gravedad del arco de círculo.

Los casos particulares más comunes son el de un semicírculo (α =180º) y un cuarto de círculo (α =90º), en los cuales aplicando la fórmula se llega a:

Semicírculo OG= R x 2R/ π x R= 2R/ π =0,64 R Cuarto de círculo =R (2Rsen 45º) / (π x R/2)= 2R 2 / π =0,9 R Estas distancias se miden sobre el radio de simetría (que va al centro del arco de círculo). Centro de fuerzas del sistema Hallar el centro de fuerzas del sistema (en nuestro caso centro de aplicación de la resultante de todas las fuerzas que aplica el troquel) no representa ningún problema metodológico nuevo y solamente requiere componer las fuerzas de los procesos individuales, cuyos centros se supone hemos hallado ya previamente.

18 En la figura 1.19 (también tomada de [13]) se presenta la situación de los punzones de un troquel progresivo. En la misma se observa que los centros de las figuras individuales son determinables por simple inspección, lo cual facilita el trabajo pues se puede pasar directamente a determinar el centro de fuerzas general. Las formas de solución son las mismas empleadas para figuras individuales por lo que no nos extendemos en mayores explicaciones. En caso de desarrollarse en el troquel otros procesos, además de los de corte, tales como doblado o embutido suele ocurrir que: •

Las nuevas fuerzas son menores a las de corte

•

Sus centros de fuerza se determinan generalmente por simple inspección.

•

Las fuerzas actúan en un espacio de tiempo distinto y generalmente más largo que las fuerzas de corte, lo cual debe verificarse en los cálculos.

Figura 1.19: Cálculo gráfico y analítico del centro de fuerzas del sistema, en este caso troquel progresivo, el cálculo incluye la fuerza desarrollada por el punzón de paso.

Reglas generales de proceder son: 1. La existencia de calculadoras simplifica la operación matemática tanto que ha eliminado prácticamente los métodos gráficos.

19 2. Tener presente que el centro que se calcula corresponde a fuerzas que actúan simultáneamente, de no ser este el caso se debe tomar una solución de compromiso que evite los efectos negativos de las fuerzas mayores, despreciando otras menores. 3. En procesos de corte exclusivamente, las fuerzas pueden ser sustituidas en los cálculos por las longitudes de corte, pues los otros componentes de la formula son comunes a todos los miembros y pueden ser, por tanto, simplificados. 4. La posición de los ejes en los cálculos de momento no influye en el resultado, así una colocación inteligente de los mismos reduce el proceso matemático. 5. En la generalidad de los casos los brazos de las fuerzas y la mayoría de las longitudes pueden determinarse gráficamente sobre un buen dibujo de situación de los punzones. El cálculo del centro de fuerzas del sistema tiene por finalidad la colocación de este punto en el centro de la zona de apoyo del carro de la prensa (agujero del vástago en la mayoría de las prensas). Esta colocación elimina el par de fuerzas que aparecería de no cumplirse la exigencia, y su dañino efecto sobre las guías de la maquina al introducirle una componente de fuerza horizontal que aumentaría su desgaste. (Ver figura 1.20). Cálculo del juego de corte En el trabajo de troqueles se acostumbra a emplear como definición de juego de corte la diferencia en diámetro entre punzón y matriz (juego bilateral) y se representa corrientemente por la letra “u”.

Figura 1.20: Efecto sobre la prensa de la no colocación del centro de fuerzas del troquel coincidente con el centro del carro.

•

El valor del juego de corte se puede obtener a partir de tablas y gráficos que aparecen en toda fuente que se refiera a la materia. (Ejemplo: [11] Figura 7.10 página 275). Nosotros aceptaremos:

Espesores menores a 0,3 mm se cortan prácticamente sin juego, ajustando una herramienta (generalmente el punzón) a la otra (matriz) y en la mayoría de los casos con diferencias entre sus durezas que pueden ser notables.

20 •

Para los aceros se puede trabajar con un valor de juego de 7-10% del espesor a cortar, con los valores mayores para los más duros y/o de mayores espesores.

•

Para los diferentes tipos de latones y otras aleaciones de cobre se toma un juego de corte de 5% del espesor.

•

Los aluminios se cortan con juegos del orden de 3% del espesor. Otros casos puede ser consultados, por ejemplo en la figura de la citada bibliografía [11]. La magnitud real del juego de corte solamente se puede medir con facilidad en el caso de figuras sencillas La última verificación, y muchas veces la única, de la corrección del valor del juego (y el necesario filo de las herramientas) se efectúa observando la calidad del corte de las piezas. La figura 1.21 nos brinda una buena base para el enjuiciamiento práctico del juego de corte de un troquel es función del aspecto de la zona cortada. Tan importante como la correcta selección del valor del juego es su “colocación”, para ello existen dos opciones, según cual sea la primera herramienta a que se le fija valor. La regla para la elección es:

Figura 1.21: Superficie obtenida por efecto del valor del juego de corte. a) juego de corte muy pequeño, se caracteriza por la existencia de dos zonas pulidas, separadas entre si. b) Juego de corte normal, una zona superior pulida de altura próxima a 1/3 del espesor del material. c) juego de corte excesivo, el radio superior aumenta su tamaño, disminuye la zona pulida y aparece una rebaba, muy peligrosa, en la parte inferior (producto del deslizamiento entre el punzón y la matriz del material que se corta).

• •

Piezas recortadas toman dimensiones de la matriz, y

las

Piezas punzonadas toman dimensiones a partir del punzón.

sus

Sobre el tema se vuelve en el próximo punto. Determinación de las dimensiones de los elementos cortantes teniendo en cuenta el desgaste Medidas con tolerancias pequeñas, del orden del juego de corte, aconsejan especial cuidado,

21 no solamente en la elaboración de las herramientas, sino ya desde su diseño. Estos cuidados deben prever que el inevitable desgaste de las mismas se realice, en lo posible, dentro del campo de tolerancia de las medidas de la pieza. Veamos por separado los casos de recortado y punzonado. Recortado Ya se dijo que en el recortado las piezas toman su medida de la matriz. Ésta será por tanto la herramienta principal. Es evidente que el desgaste de la matriz tiende a aumentar la dimensión de la pieza recortada y es por eso que a la misma se le dará, como medida nominal de fabricación, una magnitud igual o muy próxima a la menor medida permisible para la pieza a obtener. Veamos un ejemplo. Se desea recortar una pieza de 1,5 mm de espesor, de diámetro Ф40 mm con una tolerancia h11, es decir: Ф40 h11 = Ф40 0− 0 , 16 Se escoge para la medida nominal de la matriz Ф39,85 mm (podía ser hasta 39,84) y si tomamos un juego de corte de 0,1 mm (aproximadamente el 7% del espesor del material a cortar), tendríamos que al punzón le corresponde una medida de: Ф punzón = Ф matriz- juego de corte =39,85-0,1 Ф punzón = 39,75 mm. En este caso vemos que la matriz puede desgastarse, teóricamente, hasta 0,15 mm y las piezas recortadas seguirán dentro de su campo de tolerancia. Punzonado Figura 1.22: Gráfico para el cálculo de la recuperación elástica (fe) de un agujero punzonado en función del juego de corte relativo (uo=u/s) y la dureza Hv del material.

Ya sabemos que en piezas punzonadas el tamaño de los agujeros lo determinan los punzones, igualmente se comprende que su desgaste

22 disminuye la dimensión de trabajo. El nuevo caso se reduce ahora a fijar la medida nominal de la herramienta cerca o en la mayor medida permisible del agujero. En el caso del punzonado, además del razonamiento anterior, debe verificarse una condición extra: la contracción que se opera en el agujero a la salida del punzón. Esta contracción es producto de la recuperación elástica del material y su efecto se hace muy evidente si tratamos de separar manualmente una pieza del punzón que la acaba de horadar. Esta realidad hace prácticamente obligatoria la existencia de desprendedores en los troqueles (función que asume, por ejemplo, una placa guía). El valor de esta recuperación elástica es relativamente pequeño y depende, (según [14]), solamente de la dureza del material y del juego de corte relativo o relación entre el juego de corte y el espesor de la chapa (uo=u/s). La figura 1.22 ofrece el gráfico, que da la citada fuente [14], para la determinación del valor teórico de la magnitud (fe). En el mismo la dureza del material que se corta esta dada en Vickers (HV). La tabla 1.5 complementa la figura ofreciendo equivalencias entre los valores dados en grados Brinell (HB), Rockwell C (HRC) y Vickers (tomada de [15] pp105 y 106). TABLA 1.5 Valores comparativos de durezas en varias escalas Dureza Brinell

Dureza Rockwell

Dureza Vickers

(HB)

(HRC)

(HV)

143

-

143

156

-

155

170

4

171

187

9

186

197

12

197

207

14

208

Continuación. 229

20

228

255

25

255

269

27

270

285

29

285

321

33

320

363

39

380

La tabla 1.6, por su parte, nos ofrece valores de dureza Vickers para algunos materiales de corriente empleo. Se debe aclarar que siempre pueden existir casos en los cuales sea provechosa la determinación práctica del valor de la recuperación elástica, pues el gráfico presentado no puede verificar particularidades como la posible influencia sobre la

23 medida respectiva de un corte posterior, por ejemplo un recortado cercano al punzonado, o la mayor o menor proximidad de este al borde la chapa. Como ejemplo didáctico veamos el siguiente: Se desea realizar un punzonado de diámetro Ф 20 H11 en una pieza cuyo material tiene una dureza de 250 HV. Determinar las dimensiones de las herramientas si el juego de corte elegido es 0,05 s y s=2 mm. Ф 20 H11 = Ф 20 0+0 ,13 La recuperación elástica del agujero se determina con la ayuda de la figura 1.22 (a partir de la dureza HV 250 y uo= u/s= 5%), como aproximadamente 0,018 mm. TABLA 1.6 Dureza Vickers de algunos materiales Material

Dureza (HV) max.

O,8kp

131

20

155

25

171

30

179

45

241

60

255

20X

179

40X

217

18XGT

217

Y8 (recocido)

186

Y10 (recocido)

197

Y12 (recocido)

208

X12

270

9XBG

241

Así se escoge para el punzón (herramienta principal en este caso) un diámetro de Ф 20,14 (20,13 + 0,1). Como el juego de corte es de 0,05 s, su valor definitivo será 0,05 ·2= 1mm y la matriz tendrá entonces: Ф matriz = Ф punzón + juego = Ф 20,24 mm. Todas las medidas nominales deben ser afectadas aun por las tolerancias de fabricación correspondientes, las cuales dependerán de los medios de fabricación con que se cuente. Es importante recordar que las mismas no deben afectar los razonamientos hasta ahora efectuados.

CAPITULO 2 DISEÑO DEL TROQUEL Una vez tomadas todas las determinaciones previas y efectuados todos los cálculos complementarios necesarios se puede pasar al diseño del troquel y sus partes componentes. Para hacer este trabajo nada, absolutamente nada, ayuda tanto como revisar en libros o archivos gráficos hasta encontrar una herramienta con similitudes ostensibles a la que necesitamos. Afortunadamente existe abundante información al respecto, inclusive en nuestra lengua. No se pretenderá aquí sustituir esa información dedicando a ello un gran número de páginas. Resulta igualmente favorable al trabajo la existencia de varias normas cubanas que regulan, desgraciadamente no siempre con igual maestría, muchos de los posibles componentes de nuestro troquel. El fin aquí perseguido será brindar solamente información complementaria, ideas y recomendaciones y fuentes a consultar para el diseño. Un buen ejemplo para explicar el futuro proceder se puede ver en la figura 1.4 ya descrita al inicio de la obra. La figura 2.1 nos muestra este mismo troquel, en una vista en Figura 2.1: explosión, detallando sus partes, mientras Principales componentes de trabajo del troquel de la figura 4. 1- base superior de la armazón de la figura 2.2 lo hace con los elementos de columnas; 2- punzones redondos; 3- tuercas de sujeción (tornillos, de cabeza escondida sujeción de los localizadores o pilotos; 4- en un elevado porcentaje) y de fijación de accionador de tope;5- contratuercas; 6- punzón posición relativa entre partes (pasadores, de recortado; 7- placa de sujeción de los generalmente cilíndricos). punzones redondos;8- localizadores ; 9- placa guía;10- tope basculante: 11- tope inicial (lateral); 12- reglilla lateral derecha; 13- reglilla lateral izquierda (obsérvese muesca para tope inicial); 14- Matriz de corte; 15- base inferior de la armazón de columnas.

A continuación detallaremos las formas mas comunes que toman cada uno de estos elementos en los troqueles habituales para grandes series de piezas y sus variantes para pequeñas series. Matriz de corte La matriz, junto con los punzones, son los elementos casi insustituibles en los troqueles (salvo casos de corte con goma o empleo de sacabocados). En su forma más empleada no es más que un pedazo de chapa de acero de herramienta, de espesor superior a 20 mm, sobre el cual se efectúan los agujeros pasantes de forma correspondiente a las figuras a obtener. (Véase, por ejemplo, nuevamente la figura 1.1 o el elemento 14 de la figura 2.1). Además de esta forma corriente la matriz puede tomar otras, condicionadas por casos particulares; tanto de la forma como dimensiones de la pieza o por simplificación de la elaboración (dados los recursos

Figura 2.2: Elementos de sujeción (tornillos) y de fijación de posición (pasadores) del troquel de la figura 4.

disponibles). Así la figura 2.3 nos muestra un caso en que la estrechez de la forma interior obliga a hacer la matriz dividida para poder trabajar esta zona. Es bueno aclarar que la aparición del corte electro erosivo con hilo (ver capitulo 5, pagina 70) ha eliminado esta necesidad en muchos casos.

Figura 2.3: Las formas a obtener han sido dividas en tres sectores (1,2 y 3) para poder trabajarlas interiormente. La pieza 4 se encarga de unirlas.

Otros casos particulares que pueden exigir matrices no convencionales son los de corte de figuras grandes y formas no planas. Para piezas grandes se emplean corrientemente elementos de corte individuales, fijados sobre una base, generalmente de acero de inferior calidad. (Ver figura 2.4). La figura 2.5 por su parte muestra dos ejemplos para el punzonado del fondo y lateral de piezas no planas (embutidas en este caso). Un caso particular muy difundido y normado en muchos países (en el nuestro aun no), inclusive por firmas productoras, son los que llamaremos casquillos de corte y que no son mas que matrices pequeñas para cortes de forma sencilla de uso común (por ejemplo para agujeros redondos).

Figura 2.4: Matriz grande formada por piezas individuales endurecidas (1) en la zona de corte y fijadas sobre una base de inferior calidad. La misma solución se emplea para el punzón (2). Los elementos (3) y (4) están encargados de botar la chapa hacia arriba, dada sus dimensiones.

El uso de estas pequeñas matrices puede ser provechoso en muchos casos, los más corrientes en punzonados en piezas individuales y/o cuando se empleen en troqueles en los cuales la cantidad de piezas a producir haga previsible el empleo sucesivo de varias de ellas. Es bueno conocer que existen firmas extranjeras que además de fabricar estas herramientas, así como otros muchos elementos, ordenan en bibliotecas y entregan gratuitamente sus diseños en soportes magnéticos para que sean introducidos en planos de empresas que utilizan sistemas CAD (Diseño Asistido por Computadora). Lo anterior

Figura 2.5: matrices para punzonar piezas embutidas. Arriba punzonado de un fondo, debajo de un lateral.

reduce el esfuerzo propio de

diseño, al ser necesario solamente insertar un elemento completo ya totalmente definido, y conlleva generalmente la compra, a la firma productora, del elemento que se introdujo en el proyecto propio. Para el caso de no contarse con información referente a casquillos de corte puede consultarse como guía de diseño la figura 2.6 (en la próxima página) Uno de los pocos elementos comunes en todas las matrices es el filo. Los dos tipos más empleados de filo son los representados en la figura 2.7. No existe una opinión unánime sobre las ventajas de empleo de cada uno de ellos y pensamos la experiencia o costumbre de fabricación del lugar donde se usan tiene mayor influencia en la elección final que otros parámetros. En figuras sencillas, ejemplo redondas, es común la elaboración, debajo de la zona del filo de un agujero similar a este pero unas pocas décimas mayor y altura del orden del de la de la forma b) de la figura 2.7.

Figura 2.7: Tipos mas comunes de filos de matrices, a) con salida hasta el borde y α =0,5 -1º, b) dimensión superior pareja y α =3-5º.

Al igual que para casi todos los elementos individuales comunes que componen los troqueles existen normas, tanto nacionales como de fábricas, que recogen conjuntos inferiores en bruto de troqueles con placa guía. Estas normas, sobre todo las de fábrica, se confeccionan para ofrecerlos en venta a los compradores, quienes al adquirirlos así, ahorran mucho tiempo para fabricar un troquel para un uso particular. En nuestro país no existen normas nacionales de este tipo (aunque si ha habido ofertas normadas por firmas extranjeras, ejemplo [16]). Como quiera que documentos de este tipo pueden siempre servirnos para reducir el trabajo de diseño, mas aún hoy día por las facilidades que brinda la parametrización con el empleo de sistemas CAD (ejemplos: paquetes de programas SolidWorks o INVENTOR) hemos querido incluir aquí las que aparecen en [10] bajo el nombre de UO-CM-71, hojas 1 y 2.

d1

cada

1 a 1,65 1,7 a 2,95 3 a 3,9 4 a 5 5,1 a 6,4 6,6/6,8/7 7,1/7,2/7,8/8,4 8,8/9/9,8/10 11/11,8/12/12,2/12,5/ 13/13,8/14 15/16/17 18/19/20

0,05

d2 k6 12

0,1

16

h1

20-32

20 --

25

32

d3

d4

e1

e2

h2

1,8 3,2 5 6 7 8 10 13 16

15

13,5

10

4

19

17,5

14,5

6

23

21,5

17

8

28

26,5

22

35

33,5

29

39

37,5

33

32 36

19 22

α

30’

Figura 2.6: Tipos de casquillo de corte. Dimensiones de diseño y ejemplos de montaje.

1º 10

Es importante recalcar que en nuestro caso estas normas solo nos pueden servir como ayuda para el diseño, pues no existe, hasta ahora, ninguna empresa nacional que se dedique a fabricarlas en serie. Se puede observar que las mismas ofrecen los conjuntos inferiores de “troqueles en bruto”, tanto para productos pequeños (hoja 1-matriz de una pieza) como para de mayores dimensiones (hoja 2-matrices individuales que se montan dentro de una base de acero de inferior calidad). Las dimensiones de la superficie de trabajo, puerta de entrada a la norma, (cuarta columna) se determinaran a partir del ordenamiento y situación de los punzones previamente desarrollados para cada caso. Para esta determinación se recomienda mantener en las matrices espacios libres antes y después de los cortes extremos del orden de los 20 -25 mm. La distancia entre reglillas, lugar por donde debe pasar la cinta a cortar, se adapta a las dimensiones normadas. Obsérvese que la dimensión b2 esta definida como ancho máximo a que se puede llegar rebajando b3. Es decir, en el caso que el conjunto se comprase vendría con reglillas anchas (dimensión b3) que tendríamos que rebajar hasta lograr entre ellas el espacio que se requiere para nuestro caso particular, que puede llegar a ser hasta b2.

UO

CAJAS DE CORTE Con matriz de una pieza

UO-CM-71 HOJA 1

Esta norma es válida para troqueles con matriz de una pieza fabricada de acero de herramientas. Datos no especificados deben escogerse de acuerdo con el propósito específico.

A Sin placa base, para montarse en armazón de columnas. Ejemplo de especificación de un troquel A de medida nominal 63 x 80 Troquel A 63 x 80 UO-CM-71

b2*: ancho máximo de la guía, alcanzable rebajando b3

B Con placa base Sin armazón de columnas

Datos no especificados igual que A

medida nominal b1 x l1 50 x 63 63 x 80 63 x 100 63 x 125 63 x 160

superficie de trabajo l1 b2 x l1 b3 b4 62 17 x 62 21 77 28 x 77 26 0 97 28 x 97 122 28 x 122 157 28 x 157

e2 50 65 80 105 140

e3 50 75 110

l2 101 117 147 172 217

l3 s1 s2 6 102 117 18 137 8 167 202 22

50 80 105 140 180 50 80 105 140

25 50 75 110 150 25 50 75 110

112 147 172 217 257 112 147 172 217

102 142 167 202 242 102 147 172 207

125 x 63 62 88 x 62 50 125 x 100 97 88 x 97 80 125 x 125 122 122 88 x 122 50 15 172 105 105 125 x 160 157 88 x 157 140 180 197 88 x 197 125 x 200 160 x 125 157 122 113 x 122 65 20 207 135 105 160 x 160 157 113 x 157 140

25 50 75 110 150 75 110

112 147 172 217 257 182 237

147

b1 47 60

80 x 63 80 x 100 80 x 125 77 80 x 160 80 x 200 100 x 63 100 x 100 97 100 x 125 100 x 160

62 97 122 157 197 62 97 122 157

43 x 62 43 x 97 43 x 122 43 x 157 43 x 197 63 x 62 63 x 97 63 x 122 63 x 157

b5 87

e1 32

105 44

32 10 122 60

40 12 147 80

s3 18 23 27

18 6

23

22 27 8

27

6 22

23

pasadores Tornillos allen cilíndricos s4 4 piezas 22 6 x 60 2 piezas M6 x 50 4 piezas 8 x 60 M8 x 55 27 8 x 70 4 piezas M8 x 60 8 x 60 4 piezas 22 M8 x 55 8 x 70 27 8 x 80 4 piezas M8 x 70 4 piezas 22 8 x 70 M8 x 60

8 27

27

4 piezas M8 x 70

27

6

172 22 207 8 247 172 27 207

8 x 80

23

8 x 70

27 32 8 x 80

4 piezas M8 x 60

4 piezas M8 x 70

UO

CAJAS DE CORTE Con matriz de varias piezas

UO-CM-71 HOJA 2

Esta norma es válida para troqueles con placa portamatriz de acero de construcción, en la cual se montan matrices individuales de acero de herramientas. Datos no especificados deben escogerse de acuerdo con el propósito específico.

C Sin placa base, para montarse en armazón de columnas. Ejemplo de especificación de un troquel C de medida nominal 160 x 140 Troquel C 160 x 140 UO-CM-71

b2*: ancho máximo de la guía, alcanzable rebajando b3

D Con placa base Sin armazón de columnas

Datos no especificados igual que C

1

La altura del borde exterior puede disminuirse

medida nominal b1 x l1 63 x160 80 x 160 80 x 200 100 x 125 100 x 160 100 x 200 100 x 250 125 x 160 125 x 200 125 x 250 125 x 315 160 x 160 160 x 200 160 x 250 160 x 315 200 x 125 200 x 160 200 x 200 200 x 250 200 x 315 250 x 125 250 x 160 250 x 200 250 x 250 315 x 165 315 x 200 315 x 250

b1 60 77

97

122

157

197

245

310

l1 157 197 122 157 197 245 157 197 245 310 157 197 245 310 122 157 197 245 310 122 157 197 245 162 197 245

superficie de trabajo b2 x l1 28 x 157 43 x 157 43 x 197 63 x 122 63 x 157 63 x 197 63 x 245 78 x 157 78 x 197 78 x 245 78 x 310 113 x 157 113 x 197 113 x 245 113 310 153 x 122 153 x 157 153 x 197 153 x 245 153 x 310 200 x 122 200 x 157 200 x 197 200 x 245 265 x 162 265 x 197 265 x 245

b3 26 32

40

b4 b5 e1 110 44 10 127 60

12 147 80 75

50

15 172 100

65

20 207 135

80

25 247 174

100 30 295 222

125 35 360 287

e2 e3 l2 l3 s1 140 110 237 207 180 105 140 180 225 135 175 225 285 135 175 225 285 100 135 175 225 285 100 135 175 225 140 175 225

150 75 110 150 185 95 135 185 245 95 135 185 245 60 95 135 185 245 60 95 135 185 100 135 185

297 182 237 297 345 237 297 345 410 237 297 345 410 182 237 297 345 410 202 237 297 345 242 297 345

s2

pasadores cilíndricos 4 piezas

8 x 80 247 22 172 207 45 247 295 207 247 295 360 207 247 295 360 162 10 x 90 207 27 257 55 295 360 172 207 247 295 212 247 295

tornillos allen 4 piezas

M8 x 70

M10 x 80

En caso de diseño propio solamente tendríamos que darle a la reglilla directamente la dimensión deseada, pero recordando siempre que el espacio entre ambas no puede ser mayor que la dimensión aquí normada (b2). Para el cálculo del espacio b2 se puede utilizar la expresión: b2 =A+│2∆A│+ E

en mm

Donde A – medida nominal de ancho de la cinta (determinada por el diseño) ∆A - tolerancia de ancho de la cinta de acuerdo con el fabricante o con los medios que se realice el corte. (Ver tabla 2.1). E - valor extra según la tabla 2.2. TABLA 2.1 VALORES GUÍAS DE TOLERANCIA PARA CINTAS CORTADAS EN CIZALLAS Y LARGOS NO SUPERIORES A 2 METROS La calidad 1 se alcanza con cizallas circulares y rectas nuevas. La calidad 2 es válida para cizallas no nuevas y la 3 para máquinas en mal estado.

Espesor de chapa Calidad de corte (mm) Hasta 1 1 2 3 De 1 - 3 1 2 3 Mayor de 3 1 2 3

≤40 -0,3 -0,4 -0,6 -0,4 -0,6 -0,8 -0,6 -0,8 -1

Ancho de chapa 40 – 80 80 – 160 -0,4 -0,5 -0,5 -0,6 -0,8 1 -0,5 -0,6 -0,8 1 -1 -1,2 -0,8 1 -1 -1,25 -1,25 -1,5

≥160 -0,6 -0,8 1,25 -0,8 -1,25 -1,5 -1,25 -1,5 -2

. TABLA 2.2. VALORES EXTRA (E) EN mm DE ACUERDO CON EL ESPESOR DE LA CHAPA. (Los valores mayores corresponden a las chapas más gruesas). Ancho b Troquel sencillo Troquel múltiple ≤100 0,5 - 1 1,5 – 2 ≥100 1 – 1,5 1-3

Una vez que hemos localizado, dentro de la cuarta columna, el valor que más nos conviene de superficie de trabajo tendremos ya la fila correcta dentro de la norma y es fácil darse cuenta que ya contamos con el diseño completo de lo que estamos llamando conjunto inferior del troquel. Debe tenerse siempre presente que la norma que proponemos es con fines de diseño, es decir: la debemos cumplir en la medida que nos sirva, pero siempre podremos modificarle dimensiones según nuestras necesidades. Casos corrientes

pudieran ser: adaptaciones a espesores de materiales disponibles o troqueles que incluyan procesos de embutido o doblado que hagan imprescindible aumentar la altura de las reglillas. Para casos particulares de los dos últimos procesos mencionados tienen que consultarse sus teorías y calcularse sus parámetros particulares (por ejemplo en [11]). Otras matrices “no convencionales” serán tratadas en el punto correspondiente a troqueles para pequeñas series. (Capitulo 3, pagina 58). Selección de una armazón de columnas La tabla 2.3 de la página 42 nos brinda una información muy útil sobre vida probable de troqueles, entre afilados y total, según su tipo, y puede servir de base para la elección del tipo de guía que deberá llevar nuestro troquel. Según estas cifras el uso de las armazones de columnas se debía reservar para troqueles que tienen que producir varios cientos de miles de piezas. Sin embargo hay muchas fábricas que sencillamente “se acostumbran” a emplearlos en la mayoría de sus troqueles sin importarles la cifra de piezas a producir (mientras otras muchas hacen lo mismo con troqueles con placa guía). Si finalmente se decide emplear una armazón, es necesario escoger el tipo y dimensiones de la apropiada. Nuevamente la tarea puede ser seleccionar una entre las que oferte un fabricante o, si tenemos que construirla, elegir un diseño auxiliándonos de las normas correspondientes. En nuestro país se han normado 18 tipos de armazón de columnas que fueron inicialmente recogidas en la norma NC 09-03. (Es bueno conocer que otros países con mucho mayor desarrollo industrial que el nuestro emplean menos tipos). Esta norma, al igual que todas las correspondientes al grupo 09 editadas hasta la fecha de publicación, están recogidas en [17]. Figura 2.8: Algunos tipos de armazones de columnas fundidas.

La figura 2.8 muestra algunos de los tipos más comúnmente empleados y realizados a partir de bases fundidas.

Para la producción de una o pocas armazones es generalmente preferible su fabricación a partir de chapas. En la figura 1.4 podemos ver una armazón de columnas del tipo superficie de trabajo rectangular, columnas hacia atrás, fabricada a partir de recortes de planchas. En la arriba mencionada norma cubana NC 09-03 se recogen armazones para ambas variantes. En [18] se recogen en bibliotecas, sus diseños parametrizados para las variantes fabricadas a partir de chapas, (al igual que de otras piezas de uso común en troqueles), lo cual reduce notablemente la labor de proyección de cualquier troquel que tenga que emplearlas a una simple selección que ya reúne todos los requisitos, (empleando sistemas CAD, desde luego). Una vez escogido el tipo específico a emplear se hace necesario acudir a la norma o fuente que regula sus dimensiones y seleccionar la apropiada a partir de su superficie de trabajo. Esta superficie de trabajo debe ser igual (o mayor) que la superficie exterior del troquel (columna 1, medida nominal, de las tablas de las hojas 1 y 2 de la norma UO-CM-71 descrita anteriormente). Nuevamente cada norma de armazón nos da, ahora de forma independiente, tablas con todas las dimensiones de las dos bases y sus tolerancias, para el caso que tengamos que construirla. La figura 2.9 nos presenta un ejemplo de tabla de dimensiones para un tipo de armazón de columna (superficie de trabajo cuadrada y columnas en diagonal).

TAMAÑO DE ARMAZÓN (Superficie de trabajo) BXA 125 x 125 160 X 160 200 X 200 250 X 250 315 X315 400 X 400 500 X 500 Figura 2.9: Ejemplo de armazón normada, en este caso con superficie de trabajo cuadrada y columnas en diagonal, según NC 09-23, realización B

TABLA 2.3 VIDA DE TROQUELES DE CORTE PARA MATERIALES CON RESISTENCIA DE CORTE INFERIOR A 320 MPa Ángulo de Altura de corte Número de Vida total s salida disponible en Rectifiafilados (para troquel sencillo) Vida entre cado la matriz (mm) (x 1000) Tipo de Afilados (mm) (‘) por herramienta (x1000) U10 Cr12Mo afilado Rectifi- limado RectifiRectiRectiRecti- limado cado Cado limado ficado limado (mm) U10 Cr12Mo ficado limado ficado Troquel corte 1 20 30 4,81 3,21 0,2 25 17 4 6 100 68 150 102 Libre Troquel con 0,5 15 20 3,21 2,41 0,15 22 17 20 26 440 340 572 442 Placa guía 1 20 30 4,81 3,21 0,2 25 17 17 23 425 289 557 391 2 30 45 6,54 4,35 0,3 22 15 14 20 308 210 440 300 Troquel con 0,5 15 20 3,21 2,41 0,15 22 17 16 22 352 272 484 324 placa guía, 1 20 30 4,81 3,21 0,2 25 17 13 18 323 221 450 326 progresivo 3 60 60 4,86 4,86 0,35 22 14 10 14 140 140 196 196 con doblados Troquel con ar0,5 15 20 3,21 2,41 0,15 22 17 24 32 528 408 704 544 mazón de colum1 20 30 4,81 3,21 0,2 25 17 20 28 500 340 700 476 nas y despren3 45 60 6,50 4,86 0,35 19 14 16 24 304 224 456 336 dedor Troquel con ar0,3 12 15 2,58 2,06 0,15 18 14 20 24 360 280 504 392 mazón de colum- 0,5 15 20 3,21 2,41 0,15 22 17 18 21 396 306 528 408 nas, progresivo 1 20 30 4,81 3,21 0,2 25 17 15 18 375 285 525 357 con doblado

Normas independientes, recogidas como las anteriores en [17], nos brindan información sobre las columnas y bujes para las armazones y el trabajo vuelve a ser nuevamente escoger el tipo de elemento y sus dimensiones para la armazón elegida. Así, por ejemplo, para escoger los diámetros de columnas debe verse los diámetros de los agujeros de la base inferior de la armazón ya seleccionada, pues es en ellos donde se montan. Los bujes por su parte deben tener, en su diámetro interior, el de las columnas y por el exterior el correspondiente a la base superior de la armazón. Los tipos de ajustes necesarios para las distintas uniones están garantizados por las tolerancias recogidas en las normas para las piezas individuales.

Figura 2.10: Armazón de columnas guiada por bolas. En la figura con placa intermedia también deslizable.

Es bueno conocer que cada día encuentran un mayor uso y mas bajo precio los juegos de columnas con “bujes” de rodamiento (bolas) que exhiben como ventajas una muy larga vida, poca fricción y gran exactitud de trabajo. La figura 2.10 nos ilustra al respecto.

Punzones Los punzones de corte son, en un gran número de casos, una pieza única de acero de herramientas con sección uniforme en toda su longitud (para facilitar la elaboración) y forma similar a la del agujero correspondiente en la matriz. Las dimensiones exteriores son, evidentemente, iguales a las del agujero de esta última herramienta, disminuidas en el valor del juego de corte. (Ver nuevamente punzones de las figuras 1.1; 1.2 y 1.3) Excepciones son, por ejemplo, punzones grandes, en los cuales muchas veces se fabrica la forma en una chapa de menor espesor que se une a una pieza de inferior calidad para alcanzar la altura requerida (ver figura 2.11) o diseños con el mismo principio que explicamos para matrices en la figura 2.4. Figura Punzón grande: 1Figura 2.11: 33: Punzón 1chapa 2- acero de chapa de debaja bajacalidad, calidad, 2- acero herramienta, herramienta, 33- Vástago Vástago de de sujeción sujeción aa la la prensa. prensa.

Una excepción notable son los punzones redondos, que están normados por muchos países y por firmas que los fabrican en serie. (En nuestro país existen 6 normas que los regulan en cuatro rangos diferentes de diámetros).

Para realizar un diseño correcto de los punzones es necesario el conocimiento de las formas usuales de sujeción de los mismos.

Figura 2.12: Conjunto portapunzones. 1- placa inferior, 2- placa de apoyo (opcional), 3- placa superior, 4- vástago de sujeción

La figura 2.12 muestra un conjunto superior que sujeta 3 punzones. La forma de agarre del punzón de la izquierda es la más utilizada para punzones de forma irregular. La misma se obtiene por recalcado parcial (corrientemente a martillazos) del resalte superior, una vez elaborado el punzón con sección uniforme a lo largo de toda su longitud.

La zona recalcada se introduce y apoya en un avellanado previo de la placa inferior. En muchas ocasiones la elaboración de la herramienta concluye con el rectificado de su cabeza ya introducido en esta placa. Punzones cilíndricos permiten, por su facilidad de elaboración en tornos, dejar ya en la zona superior un segmento con mayor diámetro (punzón de la derecha de la figura 2.12). El punzón del centro presenta una variante de uso en el caso de agujeros muy pequeños y esta compuesto por 3 piezas de las cuales, en caso de rotura, solo habría que sustituir la punta. Esta variante es recomendable para grandes producciones pues en la mayoría de los casos se emplea un punzón como el de la figura 2.13, variante b). Se incluye a continuación una norma con dos hojas de diseños de conjuntos superiores, similares al de la figura 2.12: una para redondos y la otra para rectangulares. Los mismos no se encuentran normados en nuestro país. La elección del más conveniente debe cumplir solamente la condición de ser capaz de albergar los punzones, pues sus dimensiones no guardan ninguna relación inmediata con el conjunto inferior que posee normalmente medidas superiores o, a lo sumo, iguales. Instructivo puede ser en este momento ver nuevamente la figura 2.1. Figura 2.13: Variantes para punzones delgados: a) compuesto por 3 piezas, b) monolítico.

Punzones únicos pueden ser montados directamente en las prensas fabricándoles en su parte superior el vástago de sujeción o roscándole este elemento construido de forma independiente. (Ver figuras 2.11 y 2.14).

Figura 2.14: Ejemplos de vástagos de sujeción para ser unidos a punzones grandes, conjuntos portapunzones o armazones de columnas.

UO

CONFORMACIÓN DE METALES Conjuntos portapunzones redondos

UO-CM-72 HOJA 1

Especificación de un conjunto portapunzones tipo A con medida nominal 100: Conjunto portapunzones A 100 UO CM 72 Medida nominal 50 63 80 100 125 160 200

d1 50 63 80 97 122 157 196

d2 34 43 60 74 98 134 173

K

S

Número De tornillos

Tornillos

14 18

10 12

3

A M6 x 15 M8 x 20

AA M6 x 20 M8 x 25

23

16

4

M10 x25

M10 x 30

27

22

M12 x 30

M12 x 35

UO

CONFORMACIÓN DE METALES Conjuntos portapunzones rectangulares

UO-CM-72 HOJA 2

Especificación de un conjunto portapunzones tipo BA con medida nominal 50 X 80: Conjunto portapunzones BA 50 x 80 UO CM 72

Medida Nominal 40 x 40 40 x 63 40 x 80 50 x 50 50 x 63 50 x 80 50 x100 63 x 63 63 x 80 63 x 100 80 x 80 80 x 100 80 x 125 80 x 160 100 x 100 100 x 125 100 x 160 100 x 200 125 x 125 125 x 160 125 x 200 160 x 160 160 x 200 200 x 200

b 38 48

60 77

97

122 156 196

s 40 63 80 50 63 80 100 80 80 100 80 100 125 160 100 125 160 200 125 160 200 160 200 200

e1 24 47 64 24 47 64 84 42 59 79 59 79 104 138 79 104 138 178 103 138 178 134 174 174

e2

K

22

S

Número tornillos

B

Tornillos BA

10 M6x20

M6x25

M8x20

M8x25

M10x20

M10x25

M10x25

M10x30

M12x30

M12x35

32 18

12

42 14

56

4

55 76 75

16 23

105 130 169

18 27

22

Elementos encargados de dar o asegurar el paso y centrado de las piezas Existen medios para garantizar un más confiable funcionamiento de los troqueles. Estos medios pueden ser externos a los mismos, y por tanto utilizables para muchos de ellos, o internos, propios del troquel. Los alimentadores externos se emplean exclusivamente en producciones de grandes series, con rollos como material en bruto. La figura 2.15 muestra un sistema de alimentación típico de una de estas producciones.

Figura 2.15: Principales componentes de un sistema de alimentación típico para producciones seriadas.

Muy empleados actualmente para estas producciones son equipos que reúnen las funciones de alimentación y enderezado de las chapas como el que se muestra en la figura 2.16 (algunas veces incluyen el propio acarreo de la cinta). Los mismos cuentan con motores de funcionamiento no continuo y encendido y apagado gobernado por el brazo metálico acodado que se muestra sobre la cinta en la figura citada. Al reducirse el tamaño del lazo de cinta que se alimenta al troquel (tensarse) se Figura 2.16: Alimentador-enderezador de chapa con fuente de potencia propia.1enciende el motor y se suministra chapa cinta, 2-brazo de control de lazo hasta una dimensión de lazo en la cual la propia barra baja y detiene la operación. De esta forma la alimentación al troquel, efectuada por otro medio dependiente de la prensa (ver nuevamente la figura

2.15), se produce de forma suave y con una chapa ya enderezada. La operación de enderezado se produce habitualmente por el paso forzado entre varios rodillos situados de forma alterna (generalmente no menos de 5). Los alimentadores colocados inmediatamente antes del troquel pueden responder a dos principios: 1- los que derivan su movimiento de la propia prensa ó, 2- los que tienen una fuente de potencia externa. Entre los primeros los más comunes son aquellos accionados por una barra que toma el movimiento de un platillo regulable colocado en un extremo del cigüeñal. La figura 2.17 nos muestra el ejemplo típico Figura 2.17: Alimentador de rodillos movido por la propia prensa. 1- barra de derivación del movimiento a partir de un plato regulable solidario con el cigüeñal, 2- embrague semiconductor, 3- barra de transmisión de movimiento a rodillos delanteros, 4conexión regulable (para asumir estirado de la cinta), 5- freno, 6-rodillos alimentadores, 7- herramientas de corte.

1

2

Entre los alimentadores externos con fuente propia de movimiento (independiente de la prensa) son muy empleados los de accionamiento neumático. La figura 2.18 nos muestra uno de este tipo. .

En el mismo, interruptores fijos en la prensa dan solamente la orden de abrir y cerrar alternativamente las mordazas visibles en la figura y un cilindro neumático efectúa la carrera de retroceso y alimentación de la chapa (regulable sobre el alimentador).

Actualmente existen alimentadores, de este tipo, programables, que pueden CILINDRO efectuar avances de diferentes magnitudes en cada carrera e Figura 2.18: Alimentador neumático. 1inclusive hacer retroceder la chapa Mordazas fijas, 2- móviles. entre operaciones. Este tipo moderno de alimentadores permite “personalizar” diferente producciones con un mismo troquel. [20] Entre los dispositivos internos de los troqueles, encargados de dar o asegurar el paso y centrado de la chapa trataremos tres tipos: los topes, localizadores y punzones de paso. Aun cuando los mismos no son determinantes en la

consecución de la forma de la pieza sus ventajas son tan grandes que es difícil encontrar un troquel que no disponga de, al menos, uno de ellos, inclusive en muchos casos de empleo de alimentadores exteriores. Topes Los topes representan los elementos mas sencillos y comunes para asegurar la uniformidad de posicionado de las piezas en operaciones sucesivas de troqueles de hasta medianas series. Los topes pueden ser: regulables (para troqueles que se emplean en la obtención de varias piezas distintas), o fijos. La figura 2.19 nos muestra dos variantes de topes fijos. Se trata aquí de troqueles con placa guía a los cuales se les ha eliminado ésta y la reglilla delantera para la mejor comprensión de su funcionamiento. En ellos la chapa (4) introducida entre las reglillas laterales (2) desde la izquierda, se detiene al chocar con el tope fijo (3). Al retirarse el punzón de corte, una vez efectuada su operación, arrastra consigo la chapa, la cual se desprenderá al introducirse el punzón en la placa guía (no visible en la figura).

Figura 2.19: Troqueles con topes fijos. 1-punzón de corte, 2- reglilla trasera, 3-topes, 4- chapa que se corta, 5- matriz de corte.

En este momento, con la chapa separada de la matriz, se efectúa la alimentación y al bajar la misma, la cara interior del agujero acabado de obtener chocará con el tope garantizando así una separación entre piezas con una exactitud aceptada del orden de 0,2 mm.

La figura 1.3 nos permitió ver ya un tope fijo (elemento 14) dentro del montaje completo de un troquel progresivo. En las figuras 1.4 y 2.1 (elemento 10) se ve un tope similar pero con posibilidades de bascular para facilitar la alimentación de la chapa. En estas mismas figuras vemos otro tipo muy común de tope: el inicial (elemento 13 en la figura 1.4 y 11 en la 2.1). La función de este tipo de tope es fijar la posición de la chapa en la(s) primera(s) operación(es), antes que comience a funcionar el tope fijo y su uso es común en troqueles progresivos pues, ver por ejemplo en la figura 1.4, se perdería la primera pieza de la tira (saldría sin los agujeros) si introdujéramos de inicio la chapa hasta el tope fijo.

En troqueles progresivos de varios pasos pueden existir varios topes iniciales, (uno por cada paso) lo mismo que en troqueles por los cuales se pasa la chapa dos veces, luego de invertirla. Una vez realizada su función con la primera pieza los topes iniciales se retiran por efecto de un muelle y no volverán a ser accionados hasta que se introduzca una nueva tira. La figura 2.20 nos muestra sencillos ejemplos de diseño de topes iniciales. Localizadores

Figura 2.20: Ejemplos de diseño de topes iniciales.

Los localizadores (pilotos en libros españoles) son corrientemente elementos complementarios en el posicionado de la chapa para aumentar la exactitud de la operación. Esto hace que su uso sea muy común de forma conjunta con topes o con dispositivos

alimentadores externos. Las Figuras 1.3 (elemento empleo. En ambos casos recortado penetran en los aseguran así un recortado exterior.

6) y 2.1 (elemento 8) nos muestran ejemplos de los localizadores montados en los punzones de agujeros previamente punzonados en la chapa y con mayor exactitud relativa entre ellos y el corte Esta ventaja de aumento de la exactitud de posicionado hace que, muchas veces, principalmente en troqueles progresivos de varios pasos, se introduzcan punzonados de la tira, que no son necesarios en la pieza terminada. En próximos pasos se colocan localizadores que aseguran la uniformidad de posición de la chapa durante todo el proceso.

La figura 2.21, tomada de un libro, nos muestra un caso en el cual la pequeña dimensión de los agujeros punzonados hace inefectiva y riesgosa la posibilidad de introducir en ellos localizadores. Es por ello que en este caso se decidió hacer dos agujeros “innecesarios” (1 y 2) y colocar localizadores normales para ellos en el próximo Figura 2.21: Punzonado de dos agujeros complementarios (1 y 2) para que en ellos penetren, en el próximo paso, los localizadores (3 y 4). 5- tope inicial, 6tope fijo. Ver en el texto que la solución es, en este caso, errónea.

paso (3 y 4). Debe observarse, sin embargo, que la solución propuesta por el autor es errónea pues al introducir la chapa por primera vez contra el tope inicial 5 (lateral) , el localizador 3 caería sobre la chapa sin punzonar, lo cual debe provocar afectaciones de la misma o de algún elemento del troquel. De esta figura debemos sacar como experiencia que es siempre recomendable revisar que sucede en cada paso inicial del troquel para evitar costosos errores. En el país existen normas que regulan el diseño de los localizadores redondos y sus posibles formas de sujeción. En realidad un localizador puede tener cualquier forma. La figura 2.22 presenta dos ejemplos de adaptación de localizadores a agujeros no redondos y resume las principales formas de sujetarlos a los respectivos punzones. Punzones laterales) Figura 2.22: Localizadores, arriba dos ejemplos de adaptación a agujeros no redondos, debajo formas habituales de sujeción a punzones.

de

paso

(recortadores

Los punzones de paso o recortadores laterales son los elementos de mayor exactitud de trabajo entre los encargados de asegurar esta magnitud y su empleo prima holgadamente en los casos de producciones de grandes series, siempre y cuando los espesores a cortar sean menores de 2 mm.

La característica distintiva de los Figura 2.23: Troquel progresivo con punzones de paso troqueles que los (1 y 2). a y b puntos de estrechamiento (topes) emplean es la existencia de un estrechamiento parcial del espacio entre reglillas dentro de la zona de trabajo del troquel. (Ver figura 2.23).

El mencionado estrechamiento provoca que la chapa introducida desde la izquierda se detenga inicialmente al chocar en el punto a, pues su ancho no le permite pasar de ahí en adelante.

b1

cada

l

b2

f 1,5

50/70/90

3 5 9 14 20 26 38

+0,05

6a8 9 a 12 13 a 18 19 a 25 26 a 32 34 a 44 46 a 60

1

2

s h6 6 8

2 3

10 12

Figura 2.24: Punzones de paso. Propuesta de diseño. Altura de 10 mm sin dureza (para recalcar).

En el punto donde se detiene la chapa se coloca un punzón de paso (elemento 1 de la figura 2.23) y su función consiste en reducir el ancho de la tira de la chapa en la magnitud que le impedía continuar adelante entre las reglillas. El largo (l) del mencionado punzón será la magnitud que se desea que avance la chapa (paso) luego de retirarse los punzones. De esta forma, con cada carrera de la prensa, la chapa se pueda alimentar una magnitud muy precisa. En el troquel de la figura existe un segundo punzón de paso (elemento 2) cuya función es similar y tiene por fin permitir el aprovechamiento de la parte final de la tira una vez que su final ha rebasado el punto a. El ancho cortado lateralmente a la tira de chapa por cada punzón de paso es similar a un

espacio pieza-borde (del orden de 1,5 s). Los topes mencionados pueden estar dentro de la propia reglilla, en forma de escalón, aunque resulta muy común introducir unos, de mayor dureza e intercambiables, para aumentar su vida. La forma del punzón de paso de la figura 2.23, terminada en salientes, en lugar de ser completamente rectangular, esta dada por las ventajas que reporta al no existir peligro de alteraciones del paso por desgaste (redondeo) de sus esquinas. La figura 2.24 nos muestra una propuesta de diseño de punzones de paso pues los mismos no están normalizados en nuestro país.

Existen otros formas de colocación de punzones de paso, así por ejemplo en la figura 1.15 tenemos una variante en la cual dos punzones de este tipo, colocados uno frente al otro, además de su función principal de garantizar el paso aportan parte de la forma de la pieza y determinan un ancho muy exacto de la tira de chapa. Otra variante, muchas veces utilizada, es colocar un solo punzón de paso, al inicio del área de trabajo para garantizar que no se pierda ninguna de las primeras piezas, Esta última variante tiene mucho uso cuando se trabaja con grandes rollos de chapa pues resulta más económico perder las últimas piezas que no tener que emplear una tira de un ancho mayor (el necesario para el segundo corte lateral). La figura 2.25 por su parte muestra un troquel curioso, en el cual se emplea un punzón lateral que combina, en parte, los efectos de un punzón de paso y un tope accionado por muelle. Este tipo de medio de regulación del paso es apropiado solamente para casos de alimentación manual, pues para asegurarlo con exactitud debe tirarse de la chapa – en dirección contraria a la de alimentación- una vez se ha realizado el avance de ésta en la magnitud deseada y el tope 3 se ha introducido en la muesca dejada por el punzón 2. Otra característica de este troquel, cuyas partes principales se describen en la figura, es la existencia de dos punzones (elementos 6) que fragmentan el sobrante, lo cual es muchas veces deseado para su venta como materia prima. Otros elementos de troqueles Existen otros varios elementos de uso común en troqueles entre los cuales podemos mencionar, por su uso, las levas y los elementos elásticos. Levas Figura 2.25: Troquel con punzón lateral (2) que practica una muesca en la chapa, la cual sirve para garantizar un paso fijo al penetrar en esta muesca, en el próximo paso, el tope (3) accionado por el muelle (4). Los elementos elásticos (5) obligan a la chapa a pegarse a la reglilla izquierda. En la figura se observa también un tope inicial (1) y dos punzones (6) cuya función es fragmentar el material sobrante.

Las levas, en forma de planos inclinados, encuentran empleo mayoritario en el movimiento no convencional de punzones y su uso permite derivar, a partir del desplazamiento vertical del carro de la prensa, otros varios (perpendiculares o inclinados respecto al principal) y con

cualquier secuencia. En la figura 2.26 se muestra un troquel en el que varias levas verticales (elemento 7) permiten la realización de 8 cortes radiales en una pieza en forma de castillo. Otro ejemplo común similar es el punzonado conjunto de todos los agujeros de llantas de bicicleta.

Figura 2.26: Troquel con levas laterales para la realización de 8 cortes perpendiculares a la dirección principal de movimiento. 1pisador central,2- punzón de corte y doblado,3- pisador exterior,4posicionador,5- botador,6- matriz de corte, 7- leva, 8-punzón, 9- carro del punzón, 10-apoyo

Elementos elásticos Los elementos elásticos cumplen dentro de los troqueles diferentes funciones, tales como: actuar de pisadores o fijadores de la chapa antes de determinada operación, realizar funciones de desprendimiento (botadores) y hasta realizar conformados. En la figura 2.26 son visibles varios de ellos en forma de muelles. Figura 2.27: Troquel con leva vertical 5 y elementos elásticos. Su accionar conjunto permite obtener en una carrera 3 operaciones sucesivas de los punzones 1, 3 y 6 sobre el borde de la pieza 2, doblándolo sobre si mismo.

La figura 2.27 muestra un curioso troquel en el que el empleo de elementos elásticos y el diseño de la leva (elemento 5) permiten, en una única carrera de la prensa, la

realización en una chapa de un borde doblado sobre si mismo, operación que normalmente exigiría no menos de dos pasos. (En el troquel lo hace en 3) Para cumplir estas funciones los elementos elásticos empleados pueden ser muelles, gomas o inclusive de gases precomprimidos. Entre las gomas desde hace algunos años se le da preferencia a las uretánicas por su mayor capacidad elástica y larga vida. Los accionadores de gas son los más modernos miembros de la familia y emplean corrientemente nitrógeno. Entre sus ventajas se citan la gran variedad de propiedades que se les puede brindar según las precondiciones a que se somete el gas y el valor aproximadamente constante de la fuerza que aplican durante todo su recorrido, lo que no se logra con los otros tipos de elementos elásticos. La figura 2.28 muestra una familia de accionadores de nitrógeno precomprimido.

Figura 2.28: Accionadores Nitrógeno precomprimido.

de

CAPITULO 3 TROQUELES PARA PEQUEÑAS SERIES

Variantes de diseño para troqueles de pequeñas series Normalmente se acepta que los troqueles tienen empleo económico provechoso solamente en el caso de producciones de grandes series de piezas. En este capítulo se brindan algunos ejemplos, experiencias propias del autor, en los cuales se logró el empleo efectivo de troqueles para producciones de series cortas o medianas. El éxito en la tarea debe lograrse partiendo ya de un diseño apropiado.

Figura 3.1: retenedores.

Insertos

metálicos

para

Un caso de adaptación a producciones pequeñas de forma económica se encontró al tener que fabricar los núcleos metálicos de varios retenedores de empleo en el país en cuantía anual de muy pocos

cientos o miles de pieza. (Ver figura 3.1). La tarea se resolvió (ver [18]) diseñando dos bases únicas: una para un troquel combinados de corte y embutido y la otra para el punzonado posterior del centro del inserto. La figura 3.2 nos muestra el diseño del troquel de punzonado. Mientras la 3.3 lo hace con la base inferior del troquel combinado de corte y embutido, cuyo principio es el mismo empleado en el troquel de la figura 1.6. Esta última base es empleada para la sujeción de las matrices y demás elementos intercambiables para cada inserto. La sujeción de los diferentes elementos de distintas dimensiones se logra por la existencia en su parte inferior de grupos de agujeros dispuestos en círculos de diferentes diámetros. El trabajo de diseño fue precedido por el agrupamiento de los insertos dentro de diferentes rangos de diámetro, para cada uno de los cuales se predestinaron los mencionados agujeros. Las matrices, punzones y otras piezas individuales para cada medida de retenedor son formas redondas, fabricables en tornos, por lo cual su elaboración resultó muy económica.

Figura 3.2: Troquel punzonador de insertos con matrices y punzones intercambiables. 1-base, 2-matriz de corte, 3- desprendedor (regulable), 4- tornillo del desprendedor, 5- centrador, 6tornillo para punzones, 7- vástago porta-punzones, 8- punzón, 9tornillos para sujetar la matriz.

Figura 3.3: Base inferior del troquel de corte y embutido. Obsérvense los diferentes círculos con agujeros para la sujeción de los componentes de diferentes insertos

Las relativamente pequeñas cantidades a producir permitieron el empleo de troqueles de corte libre.

Otro ejemplo de troqueles para la producción de series pequeñas de piezas de chapa de forma compleja fue resuelto con el empleo troqueles fundidos de hierro nodular. En este caso una empresa reparadora de camiones debía sustituir, en la casi Figura 3.4: Preparación de caja para totalidad de las cabinas de los vehículos confeccionar plantilla de yeso de forma que reparaba, tres partes cuya de pieza compleja. chapistería manual exigía demasiado tiempo y resultaba en terminaciones deficientes. La confección de troqueles tradicionales para el trabajo exigía un complejo maquinado de grandes bloques de acero de herramientas y los intentos que se habían emprendido con varias industrias nacionales para fabricarlos concluyeron en fracasos.

El problema fue resuelto sacando estas partes de cabinas en buen estado y, una vez debidamente preparadas, confeccionando con ellas modelos (plantillas) de yeso para los punzones y matrices. (Ver figura 3.4). Con las plantillas se realizó la fundición de las herramientas de hierro fundido nodular. Los troqueles fundidos exigieron muy poca labor de acabado, la que se dio de forma manual, tal como se ve en la figura 3.5, con posterior colocación de elementos de fijación en la prensa (vástago de sujeción). La figura 3.6 permite apreciar la gran diferencia entre una pieza obtenida empleando el troquel y la que se confeccionaba manualmente. La inclusión en las reparaciones de las tres piezas para las que se confeccionaron troqueles fundidos, permitió grandes ahorros de tiempo y redujo sensiblemente el consumo de gases y mano de obra de chapistería, lo que amortizó la pequeña inversión, además de la enorme mejora de la calidad del trabajo. Para mas detalles ver [22]. Otra variante de fabricación de troqueles de forma no convencional fue empleada en [23] y consistió en fabricar las herramientas (un troquel de corte y uno de embutido) empleando bases de acero de bajo contenido de carbono y Figura 3.5: Terminación manual aportando, por soldadura manual por arco, un del punzón fundido. material de calidad solamente en las zonas de trabajo directo con la chapa. Las mismas fueron llevadas finalmente a las formas deseadas por procesos habituales de mecanizado. La figura 1.1, del inicio de esta obra, muestra uno de estos troqueles en el cual tanto el filo del punzón como de la matriz fueron rellenados con un electrodo de 12% de cromo. El relleno se efectuó en forma de escuadra en las zonas de trabajo con espesores del orden de los 3 mm. El troquel de esta figura fue capaz de cortar varios miles de pieza de chapa negra de 3 mm de espesor sin sufrir contratiempos. La figura 3.7 muestra un troquel, en este caso recuperado por fabricación de una nueva matriz con filo aportado de forma similar al caso anterior.

El trabajo completo, relatado en [24] estuvo precedido por un análisis empleando un método de elementos finitos (CosmosWorks) para predeterminar los riesgos que se corrían en el mismo.

Figura 3.6: A la izquierda pieza obtenida con el troquel fundido. A la derecha la que se fabricaba manualmente con enorme inversión de tiempo. Obsérvese que en la pieza obtenida con el troquel fundido aparecen hasta las depresiones necesarias para la colocación de los tornillos

En este último caso la forma final de la herramienta fue dada totalmente con muela abrasiva y sin necesidad en ningún momento de someter a la matriz, de gran tamaño, a tratamiento térmico, lo cual resultaba muy difícil dadas sus dimensiones.

Materiales de posible empleo alternativo en troqueles para pequeñas series Todo troquel “normal”, sobre en todo en el caso de los de corte, requiere el empleo de aceros de herramientas para confeccionar, al menos, las matrices y punzones. (Desde hace décadas encuentran también empleo en producciones de muy grandes series los actualmente nombrados materiales metalocerámicos o aleaciones duras). Son sin embargo comunes muchos casos en los cuales se produjeron muchos miles de piezas empleando en la confección de estas herramientas material de muelles, previamente tratados para su uso convencional.

Se conoce inclusive un caso en que punzones de poco diámetro se confeccionaron de acero corriente y se Figura 3.7: Troquel de gran tamaño les aportó en la zona de corte, por con matriz fabricada con filo aportado soldadura oxiacetilénica, un acero de por soldadura manual eléctrica y muelles (en forma de alambre) y se posterior rectificado. procedió a darles dureza. Según la fuente que reportó su experiencia estos punzones tuvieron un comportamiento similar al de punzones convencionales.

El que esto escribe ha confeccionado, para necesidades urgentes o troqueles de prueba, herramientas de acero con 0,45% de carbono o bajos aleados, los cuales, sin recibir ningún tipo de tratamiento han sido capaces de cortar varios cientos de piezas con buena calidad.

CAPITULO 4 CÁLCULOS COMPLEMENTARIOS

Elección de la prensa Los troqueles de los tipos aquí mencionados son habitualmente montados sobre prensas mecánicas con principio de biela-manivela. Troqueles de doblado y embutido son montados en muchos casos sobre prensas hidráulicas. No es objetivo del presente texto la explicación de la diversidad de tipos de prensas existente (muchas diseñadas para procesos específicos), lo cual puede encontrarse, por ejemplo en [11], [20] y [25]. Sí nos referiremos a los puntos más importantes que hay que tener en cuenta para elegir la que debemos emplear. En la mayoría de los casos la tarea se circunscribe a elegir una prensa entre las ya existentes en un taller o a realizar un diseño de troquel para una prensa ya determinada El trabajo debe iniciarse siempre estudiando la información sobre los equipos a nuestra disposición y sus características técnicas, especialmente: 1. Diagrama de fuerza de la prensa (y no solamente fuerza nominal). 2. Forma de sujeción de los troqueles y sus dimensiones. (Ejemplo: diámetro del vástago y/o ranuras en “T”). 3. Dimensiones de la mesa. 4. Dimensiones de los agujeros de salida de piezas en la mesa y sobremesa. 5. Distancia máxima mesa-carro y sus posibilidades de regulación. 6. Longitud de la carrera (fija o regulable). En el caso que hemos tratado aquí con mayor dedicación: troqueles de corte, la elección o comprobación de la adecuación de la prensa se reduce en la mayoría de los casos a la verificación de que la fuerza máxima que desarrolla el troquel sea inferior a la que es capaz de entregar la máquina. El resto del trabajo consiste en comprobaciones y adaptaciones a los demás parámetros técnicos de la misma (por ejemplo diámetro del vástago, y otras dimensiones). En otros, contados casos, por ejemplo piezas grandes finas, puede resultar determinante, en primer lugar, las dimensiones de la mesa y en menor medida (corregible con un correcto diseño y/o colocación del troquel) las del agujero previsto para la evacuación de las piezas terminadas y los recortes. En procesos como doblado o embutido otros parámetros pueden ser limitantes como: longitud máxima de la carrera y capacidad de trabajo (energía) de la maquina.

Siempre es aconsejable inscribir los valores de fuerza y recorrido necesarios para un proceso en el diagrama de fuerza de la prensa para una carrera de trabajo. Información al respecto se puede encontrar en [11] capitulo 4. Cálculo de la norma de consumo, factor de aprovechamiento y cantidad de material necesaria El inicio de una producción cualquiera debe estar precedido por el análisis de todos los factores que inciden en la consecución de las mayores ventajas económicas. Así, además del diseño propio de las herramientas y la selección de las máquinas y equipos auxiliares a emplear, deberán realizarse otros cálculos complementarios con vistas a determinar la influencia de todos los componentes dentro del total de los costos. Mucha importancia reviste, sobre todo en producciones de grandes series de piezas, conformadas u obtenidas por cualquier otro proceso de elaboración, la determinación de valores característicos del material de partida. Los indicadores habituales para estos cálculos son: 1. La norma de consumo. 2. El factor de aprovechamiento. 3. La cantidad de material necesaria. 4. La incidencia del costo del material en el producto terminado. Se entiende por norma de consumo la masa en kilogramos del material de partida necesaria (en nuestro caso chapas, rollos, etc.) para fabricar un número determinado de piezas. Como número de piezas resulta muy empleada en el conformado mediante troqueles la cifra de 1000, pero para piezas grandes se pueden emplear otras cantidades, inclusive una sola. El punto de partida para el cálculo es el conocimiento de las formas en que se puede recibir el material elegido, parámetro variable según la fuente de procedencia, y valores característicos del mismo como son: dimensiones, tolerancias de fabricación, peso y precio. Desde el punto de vista práctico debe conocerse también con exactitud la forma de especificar el pedido al suministrador. Se entiende por factor de aprovechamiento la relación existente entre la masa de las piezas que se obtienen de una unidad de materia prima (chapa, rollo, etc.) dividida por la masa de esa materia prima, y su valor es expresado normalmente como porcentaje. En el caso de piezas conformadas a partir de chapas se puede realizar este cálculo a partir de la relación entre áreas por ser el espesor constante. El siguiente ejemplo debe contribuir a la comprensión del cálculo de estos dos parámetros.

Ejemplo de cálculo. Se desea determinar la norma de consumo y el factor de aprovechamiento del material para la producción de la pieza de la figura 4.1, la cual debe confeccionarse en chapa de acero zincado (galvanizado) de 1 mm de espesor. Se conoce que el fabricante seleccionado la suministra con un espesor de 1± 0,07 mm y puede adquirirse en dimensiones de 710 X 1 420 ó de 1 000 X 2 000 mm. Si elegimos Figura 4.1: Pieza de acero zincado de 1 mm de esta última dimensión espesor (medidas en milímetros). podemos completar como dato una masa por chapa de 15,7 kg. El precio por tonelada del material pudiera ser de $500 (cifra muy variable). La figura 4.2 nos muestra el ordenamiento elegido como más favorable. La tira elegida es de un metro de largo y ancho de 210 mm (largo de la pieza más 1,5 mm por lado) y el paso será de 25 mm (ancho de pieza 24 más 1 mm entre piezas).

Figura 4.2: Ordenamiento de la pieza de la figura 4.1 en una chapa de 1 000 x 2 000 mm.

El número de tiras será: 2 000/210 = 9 y sobra una tira mas delgada (pero utilizable, según vemos en la propia figura 4.2) de 110 mm. El número de piezas por tira de 1 metro es de 1 000/25 = 40, por lo que las 9 tiras permitirán obtener 40 X 9 = 360 piezas. Pero también la tira de 110 mm de ancho

puede ser aprovechada cortándola en otras cortas, del ancho requerido (210 mm) y largo igual al ancho de la tira sobrante inicial (110 mm). De esta forma obtendríamos 1 000/210 = 4 nuevas tiras cortas, y de cada una de ellas saldrían 4 piezas (110/25), por lo que a la cifra original de piezas obtenidas de las tiras “normales” (360) habría que sumarle las nuevas 16 piezas (4 “tiras cortas” y 4 piezas por cada una de ellas). Así de una chapa de de masa igual a 15,7 kg se pueden obtener 360 +16 = 376 piezas. Por tanto la norma de consumo de material para 1 000 piezas será: 376 piezas----- 15,7 kg 1 000 piezas------------- x kg (norma de consumo) Norma de consumo = (1 000 X 15,7) / 376 = 41,76 kg/1 000 piezas El factor de aprovechamiento del material se obtiene igualmente de forma sencilla hallando el área de una pieza y multiplicándola por el número de estas que se obtiene por chapa, y dividiendo luego este resultado entre el área de la chapa (1 000 x 2 000 = 2· 106 mm). El área de una pieza será (ver figura 4.1) el área de un rectángulo menos el área correspondiente a los dos agujeros y su valor final es de 4 811 mm2 El área total utilizada será entonces ésta cifra multiplicada por el numero total de piezas por chapa (376) = 1 808 936 ≈ 1,81 ·106 mm2. Finalmente el factor de aprovechamiento del material en este caso será de 1,81 / 2,00 = 90,5 %. El cálculo de la cantidad de material necesaria para una producción específica es ahora muy sencillo y solamente tendremos que verificar el porcentaje de piezas defectuosas que, inevitablemente, acompaña a todo proceso de elaboración. De no existir cifras propias, producto de experiencias previas del centro en que se producirán las piezas, pueden tomarse como indicadores los valores que brinda la tabla 4.1 como porcentajes de piezas defectuosas, para diferentes tipos de procesos. Así, por ejemplo, si en nuestro caso se quisieran fabricar 300 000 piezas, tendríamos que contar con un porcentaje de piezas defectuosas igual a 0,5 % (recortado, mas de 100 000 piezas). Por lo que deberá planificarse material para 300 000 (1 + 0,5/100) = 301 500 piezas La cantidad de material necesaria puede darse entonces tanto en número de chapas, dividiendo esta cifra entre las 376 piezas que se obtienen por cada una de ellas (301 500 / 376 = 802 chapas), o en toneladas utilizando la norma de consumo (41,76 kg/1 000 piezas X 301,5) = 12 590,64 kg = 12,6 t).

TABLA 4.1 Porcentaje de piezas defectuosas para diferentes procesos y cantidades a producir

Proceso Recortado Punzonado individual Embutido Doblado

Cantidad de piezas Hasta 1 000 Desde 1 000 a 100 000 más de 100 000 Hasta 1 000 Desde 1 000 a 100 000 más de 100 000 Hasta 1 000 Desde 1 000 a 100 000 Hasta 1 000 Desde 1 000 a 100 000

Porcentaje defectuoso 2 1 0,5 2 1,5 1 5 3 3 1

Un último cálculo interesante es la incidencia del precio del material en el producto terminado, que será: • Precio por tonelada $500 • Costo de las 12,6 toneladas necesarias = $6 300. • Costo de material por pieza = $6 300 / 300 000 = $0,021 (2,1 centavos).

CAPITULO 5

CONSTRUCCIÓN Y VERIFICACIÓN DE TROQUELES

El proceso de fabricación de una pieza cualquiera transita, en general, por cuatro etapas: 1. diseño 2. trazado 3. elaboración y 4. verificación. Aunque en muchos casos, sobre todo cuando se emplean modernas maquinas programables, uno o más de estos pasos pueden obviarse. La construcción de troqueles, sobre todo en talleres equipados convencionalmente, tiene, sin embargo, especificidades propias a las cuales queremos referirnos, pues el conocimiento sobre sus particularidades e interrelaciones, ayuda notablemente al diseñador y, en general, al trabajo conjunto diseño-construcción, pues ahorra costoso tiempo de consultas para aclaraciones y variaciones del proyecto original.

Figura 5.1: Formas corrientes de realizar trazados sobre piezas apoyadas en mármoles (1). En la figura de la izquierda debe graduarse inicialmente la altura de la punta trazadora (2) con la ayuda de la regla 4, el instrumento del centro (5) permite ajustar directamente esta altura. El trazador de la derecha, más moderno, tiene directamente indicación digital de la medida. La pieza a trazar es 3.

Así, por ejemplo, si sabemos que la forma más común para realizar el trazado de líneas rectas, que pueden determinar tanto partes a elaborar como coordenadas de puntos importantes de referencia, se realiza con gramiles de altura conocida respecto a una base de referencia, como los que se representan en la figura 5.1, nos resulta evidente reconocer como correcta la forma de acotación de la figura 5.2. Este sistema de acotación es también imprescindible para cuando se va a trabajar con maquinas que dispongan de mesa con movimientos controlables en dos ejes de coordenadas (mínimo), como son por ejemplo fresadoras o taladradoras por coordenadas; o para la programación de maquinas con control numérico, en cuyo caso se simplifica enormemente la tarea de programación haciendo coincidir el cero maquina y/o el cero pieza con el sistema de referencia del plano. Figura 5.2: Acotado de figuras o puntos de referencia respecto a dos caras perpendiculares entre si (materialización de un sistema de coordenadas x-y.

El anterior razonamiento es extensible al empleo de maquinas medidoras por coordenadas (ejemplo microscopios de herramientas) o modernas maquinas CNC de medir. Otra particularidad muy propia de los troqueles es la necesidad de exacta concordancia de puntos o formas completas en dos o tres elementos distintos de los mismos. La figura 5.3 nos muestra el caso más común de necesidad de concordancia de posición: el que se presenta en troqueles con placa guía. En la misma se representan dos formas comunes diferentes de sujetar los elementos que componen un conjunto inferior, (como los propuestos en las paginas 34 a 39), para su taladrado y escariado conjunto, con posterior colocación de los pasadores que fijan la Figura 5.3: Elaboración conjunta de varias piezas unidas, en este caso posición relativa de estas piezas. (Se conjunto inferior de un troquel que recomienda ver ahora nuevamente la figura 2.2). incluye: placa guía, reglillas y matriz.

En la operación es imprescindible garantizar la más exacta perpendicularidad en la elaboración. La labor se continúa luego con nuevos taladrados, retaladrados, avellanados, y elaboración de roscas para la colocación de los tornillos, en la pieza que lo requiera, habitualmente la inferior o matriz. El próximo paso consistiría en la separación de las partes, retirada de las reglillas y, volviendo a colocar los pasadores, realizar la elaboración conjunta de las figuras que se repiten en matriz y placa guía, o, al menos, puntos de referencia comunes. Estos puntos de referencia comunes son, en la mayoría de los casos, círculos que forman, total o parcialmente, parte de las figuras (por ejemplo redondeos de esquinas). Es práctica común que una vez avanzada al máximo la elaboración conjunta de las piezas, las mismas se separen y se concluya totalmente una de ellas. Corrientemente se concluye primero la matriz, incluyendo su tratamiento térmico y luego la misma se vuelve unir con los pasadores a la otra pieza (en este caso la placa guía) y se traza ésta última empleando el contorno ya elaborada de la matriz. Posteriormente se procede a la nueva elaboración siguiendo este trazo. Es evidente que la manera de proceder arriba descrita es aplicable a figuras de relativa complejidad, pues formas sencillas, como las de revolución, son elaboradas en una única sujeción sobre una maquina conveniente (ejemplo un torno). En la elaboración de este tipo de piezas encuentran empleo todas las maquinas herramientas convencionales con desprendimiento de partículas, existen otras sin embargo que son de uso muy común para el caso específico de troqueles. Entre las máquinas que son de existencia habitual en los talleres de elaboración de troqueles podemos citar en primer lugar las sierras sinfín de metales. Su principio de funcionamiento es similar al de las empleadas desde hace muchos años en la elaboración de madera y, como aquellas, permiten seguir, con relativa exactitud, un contorno preestablecido (trazado sobre la placa, Figura 5.4. Sierra sinfín de metales habitualmente). con alimentación hidráulica.

Los sinfines para metal poseen normalmente facilidades de corte, soldadura, tratamiento térmico y acabado de la banda de corte, pues debe recordase que la cinta debe ser abierta y soldada cada vez que se va a cortar un contorno interior cerrado, caso normal de las partes a elaborar para troqueles. Versiones modernas incluyen hasta instalaciones que facilitan la alimentación. Así la sierra sinfín mostrada en la figura 5.4 incluye una alimentación hidráulica de la chapa lo que reduce enormemente el esfuerzo físico del operario. En esta misma figura son visibles, en la columna de la máquina, las facilidades normales antes mencionadas para tratar la cinta de corte. Un tipo de máquina muy moderna para trabajos similares, con distinto principio, son las electro erosivas por hilo. En estas máquinas se emplea el principio electro erosivo- descarga de corriente de gran intensidad, dentro de un medio aislante, entre la pieza que se elabora y un electrodo herramienta-, lo que provoca una gran elevación de la temperatura de la primera fundiéndola localmente. En este caso la herramienta es un fino hilo metálico que corre continuamente mientras la pieza va siguiendo un contorno preestablecido. Las maquinas comerciales actuales cuentan todas con sistemas CNC de programación que permite prefijar, cada día de forma mas fácil, el movimiento relativo pieza-alambre, inclusive para figuras de gran complejidad. La existencia de este programa, unida a la de varios dispositivos de seguridad para el caso de ocurrencia de imprevistos (por ejemplo rotura del alambre) posibilitan su trabajo continuo sin la presencia de operarios. La forma y dimensiones de la “herramienta”, un alambre redondo que puede ser tan fino como pocas décimas de milímetro, permite la elaboración de casi cualquier forma pasante, lo que ha ampliado el universo de posibilidades de los diseñadores y constructores.

Figura 5.5: Máquina CNC electro erosiva capaz de cortar hasta 600 mm de espesor.

Las enormes ventajas de las maquinas electro erosivas por hilo han hecho que se incremente su número y potencia, así como su peso relativo dentro del total de maquinas que emplean el principio. El especialista vasco Xabier de Maidagan en [26] asegura que desde los primeros años de este siglo estas maquinas llegarán a formar el 65 -70% del parque total de maquinas electro erosivas.

Como ejemplo de hasta donde se puede llegar empleando el principio incluimos en la figura 5.5 una maquina fabricada por la firma ONA del país Vasco (España) capaz de cortar hasta 600 mm de espesor y que sus fabricantes definen como “la mayor del mundo” (tomada de [27]). Las máquinas electro erosivas masivas (para la elaboración de formas tridimensionales complejas) han encontrado empleo en la elaboración de troqueles de forma y herramientas similares, como pueden ser estampas de forja o moldes, pero su empleo ha descendido grandemente en los últimos años por el auge del maquinado de alta velocidad que es aceptado como superior económicamente. Otra variante de elaboración con sistemas de control similares y auge creciente es el corte con chorro de agua a altas presiones (ver ejemplo en la figura 5.6), Sus promotores le señalan, entre otras varias, ventajas de mayor productividad respecto a la electro erosión por hilo y un más amplio campo de empleo industrial pues su empleo se extiende a materiales no conductores y hasta de la industria alimenticia. Figura 5.6: Corte por chorro de agua a alta presión. El empleo en metales exige el empleo de abrasivos que son proyectados por el chorro de agua a presiones de un orden cercano a las 4 000 bar.

Los costos de una instalación de corte por agua se sitúan como muy inferiores a los de una instalación de corte láser para fines similares y no se le sitúan límites de altura máxima de corte, aunque se tienen reportes de hasta 200 mm con presiones de trabajo del orden de las 4000 bar. [28]

Para el corte de metales el método exige el empleo de abrasivos junto con el agua a presión. Los métodos modernos descritos tienden a minimizar y hasta eliminar la necesidad de las labores de ajustes finales en los troqueles, tan habituales en otros tiempos, e inclusive llegan a hacer innecesarias hasta labores de control final por la posibilidad de programar las posiciones y movimientos con exactitudes del orden de los micrómetros. Sin embargo el empleo de los procedimientos convencionales para elaborar los troqueles sigue exigiendo las labores habituales de ajuste o “hermanamiento” de partes, labor de operarios de experiencia. Una secuencia de elaboración de mucho empleo aún consiste en la terminación completa del conjunto inferior, tal como se describió mas arriba, y la

preelaboración del o los punzones siguiendo un trazado o la soldadura de una muestra o plantilla (sobre todo para formas difíciles) sobre el bloque a elaborar (ver figura 5.7). Las dimensiones finales se “afinan” luego de marcados los punzones preelaborados haciéndolos pasar, inicialmente solo una pequeña magnitud que se va incrementando paulatinamente, por el agujero correspondiente de la matriz ya tratada térmicamente. La marca que deja cada intento de introducción del punzón sirve de referencia para la eliminación, por cualquier método manual o de mecanizado convencional, del material sobrante.

Figura 5.7: Pieza en bruto con plantilla soldada para guiar el mecanizado de un punzón.

La introducción gradual del punzón en la matriz se realiza habitualmente empleando prensas hidráulicas o de balancín (manuales de husillo) con la presencia abundante de lubricante.

La tarea se concluye muchas veces que un pase final del punzón completo sin tratar térmicamente por la matriz ya endurecida. El posterior tratamiento térmico del punzón puede exigir aun nuevas labores de ajuste por medios abrasivos. Una variante de esta forma de proceder al ajustar herramientas fue observada por el autor en una fábrica extranjera cuyo tipo y volumen de producción exigía la confección de muchos troqueles iguales y no se disponía de modernas máquinas programables para la tarea. La variante referida consistía en la elaboración de placas patrones, de forma similar al agujero de trabajo de una matriz, con las cuales se concluían todos los punzones de cada tipo de producción. Estos punzones, luego de endurecidos, eran empleados finalmente para dar las dimensiones a las matrices correspondientes. La ventaja del método consiste en la posibilidad de obtener herramientas intercambiables, cuya producción podía ser desarrollada de forma paralela y en series. En la mencionada fábrica la placa patrón encontraba además empleo en la recuperación de punzones desgastados en su zona de corte. Para ello los mismos se calentaban y recalcaban localmente y, luego de recocidos, se hacían pasar por la placa patrón que les restituía la dimensión original en la nueva zona de trabajo. La labor se concluía con los habituales pasos de tratamiento térmico y rectificado frontal para la obtención del filo de corte.

Las matrices desgastadas son también recuperables por un método similar: la introducción de una herramienta terminada en forma esférica pequeña alrededor y cerca de su agujero de corte. Esta operación hace fluir el material hacia el espacio vacío y permite su acabado de forma semejante a la arriba descrita. Es también común la recuperación de matrices con empleo de recargues por soldadura manual de la zona del filo (es práctica habitual, por ejemplo para troqueles de rebabar piezas forjadas). En este caso lo más frecuente para la reposición de la figura inicial, una vez concluido el rellenado, es el empleo de un electrodo de forma y un proceso de electro erosión masivo que hace pasar el electrodo a todo lo alto de la sección. El empleo combinado de electrodos de recargue duro convenientes y la electro erosión hacen innecesarias nuevas operaciones de tratamiento térmico, con lo cual el acabado se restringe al rectificado superior para la obtención del nuevo filo. Otro recurso de corriente empleo en troqueles es la reducción del trabajo de ajuste entre algunos de sus elementos con empleo de materiales que se endurecen directamente en la zona deseada. Casos como este ocurren por ejemplo cuando se necesita ajustar varios punzones de forma compleja dentro de una placa portapunzones o una placa guía. Para la operación se emplean aleaciones metálicas de bajo punto de fusión o resinas (principalmente epóxicas). Cuando el funcionamiento del troquel no implica desgaste de la unión se da corrientemente la preferencia a los materiales de bajo punto de fusión, por la posibilidad de su recuperación (ejemplo en una placa portapunzones). Si los requerimientos de trabajo son mayores (ejemplo: resistencia al desgaste de una placa guía) se emplean las resinas, de mayor dureza al permitir la adición de materiales complementarios. En [10] se referencia la composición de un material de punto de fusión entre 100 y 200º C de uso internacional bajo diferentes nombres comerciales. La resistencia de esta aleación es del orden de los 90 MPa, muy aceptable para sus fines y con la ventajosa característica de sufrir una ligera dilatación al solidificarse. La labor final de verificación de las piezas que componen el troquel y su montaje no constituye ninguna tarea especial y se reduce a la correcta elección de los medios, entre los disponibles. Además de los instrumentos manuales y microscopios de herramientas es común el empleo de los proyectores de perfiles en el control de troqueles y sus producciones. Con los mismos las formas a controlar son proyectadas sobre dibujos realizados con grandes escalas de ampliación y comparadas y medidas

sus desviaciones. Esta tarea se efectúa muchas veces a galgas que son elaboradas para facilitar la labor de ajuste a los operarios troquelistas. Una variante válida del método de proyección consiste en el control del perfilado de muelas abrasivas y el posterior empleo de estas para la obtención de formas por rectificado, variante utilizada y defendida por muchos para el rectificado de la forma interior de las matrices (que tendrán entonces que ser seccionadas como la de la figura 2.3). La propia tabla 2.3 de esta obra recoge los incrementos de vida de estas matrices contra aquellas en las cuales la forma interior se obtuvo por limado.

BIBLIOGRAFIA [1].-

Norma cubana NC 09-01

[2].-

Mallo G. Manuel y Aguilera. D., Álvaro.: Diseño y construcción de troqueles para la fabricación de gorros de cocinas a partir de sobrantes de tamboras de 210 litros. CD de evento COMEC 2002 (ISBN 959-250-147-5). Las Villas 2002

[3].-

Mallo G. Manuel.: Fabricación de azadas pequeñas a partir de sobrantes de otras producciones. CD de evento Cimei 2004 (ISBN 959-11-0415-4). Holguín. 2004

[4].-

ESI-GROUP.: Programa PAM-STAMP. www.consultorescpm.com.mx. 2002

[5].-

Fernández Levy, Guiselda.: Diseño automatizado de troqueles de corte simples y progresivos. Tesis de doctorado. Santa clara.1997

[6].-

Simeón. Rolando: Diseño óptimo multiobjetivo de troqueles de corte y punzonado simples y progresivos. Tesis para optar por el grado de doctor en Ciencias Técnicas. Universidad de Holguín. Holguín.1999.

[7].-

Koninck,J. :Manual del técnico matricero. Editorial José Montesó, Barcelona 1968.

[8].-

.Mallo G. Manuel. : Cálculo de desarrollos, en Página Web asignatura Procesos de Manufactura. Universidad de Oriente- Facultad de Ingeniería Mecánica. Programa SolidWorks. Versión 2003

[9]-

[10].- Mallo G. Manuel.: Herramientas de Conformar. Editorial Pueblo y Educación. La Habana 1984. [11].- Mallo G. Manuel.: Conformación de Metales. Editorial Pueblo y Educación. La Habana 1984. [12].- Rossi,M. :Estampado en frío de la Chapa.(9ª edición) Editorial CientíficoMédica, Barcelona 1971. [13].- Chauvelin, G.: Trabajo de los metales por deformación en frío. Editorial Blume, Madrid 1968. [14].- Anónimo.: “Abstreifkraft und Einfederung beim lochen von Blechen”, en Fertigungstechnick und Betrieb. RDA, 21 (1971). No. 10. [15].- Colectivo de Autores: Metalurgist’s Handbook. (2ª edición). Mir Publishers, Moscú 1968.

[16].- Moldes prefabricados VAP S.A. Barcelona. (Ofertados por DISEMAH). [17].- Normas Cubanas Conformación de Metales. SERIE: Construcción de Maquinarias. Universidad de Oriente 1981. [18].- Gonzalez, Alain y Diaz M. Guillermo.: Aplicación del CAD/CAM al diseño automatizado de troqueles. Trabajo de diploma. Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad de Oriente. Curso Tutores: Ings. Álvaro Aguilera D. y Manuel Mallo G. Curso 2001-2002 [19].- ASM. Metals Handbook.: Vol 4 FORMING. 8ª Edición. USA. 1970. [20].- www.toolingu.com.: Tooling University. (Curso on-line) Universidad de Ohio/400. 2002. [21].- Mallo G. Manuel.: Fabricación de insertos metálicos para retenedores. Ponencia al 6º forum nacional de ciencia y técnica. Santiago de Cuba. 1991 [22].- Mallo G. Manuel y otros.: Obtención de partes de carrocería de camión ZIL con troqueles fundidos de hierro nodular. Ponencia al 5º forum nacional de piezas de repuesto. Santiago de Cuba. 1990 [23].- Mallo G. Manuel.: Troqueles con zona de trabajo aportada con electrodos HF-600 (de rellenado duro). Ponencia al 5º forum nacional de piezas de repuesto. Santiago de Cuba. 1990 [24].-

Mallo G. Manuel y otros.: Preevaluación de riesgos y recuperación de un troquel de gran tamaño por rellenado duro. CD de evento Metánica 2006. (ISSN 1607-6281). La Habana. 2006

[25].- Quercy A.: Trabajo de los metales en láminas. Ediciones URMO, Bilbao 1965. [26].- www.metalunivers.com/eventos/ Congreso de mundial de mecanizado eléctrico. ISEM XIII. España. 2000 [27].- www-metalunivers.com/noticias/. España 2005 [28].- Olsen,,Carl. Water jet Web reference. USA. http://www.waterjet.org