DISEÑO DE TROQUELES DE ESTAMPACIÓN MEDIANTE MODELADO SÓLIDO.

FADÓN SALAZAR, Fernando (1); CERÓN HOYOS, José E. (2); VALENCIA FERNÁNDEZ, David.

(1)Universidad de CANTABRIA, España

Departamento de INGENIERÍA G. Y TÉCNICAS DE EXPRESIÓN GRÁFICA e-mail:fadonf@unican.es

(2) Universidad de CANTABRIA, España

Departamento de INGENIERÍA G. Y TÉCNICAS DE EXPRESIÓN GRÁFICA e-mail:ceronje@unican.es

RESUMEN

El trabajo que se va a desarrollar consiste en el diseño de un troquel de un solo golpe o simple que va a conformar por estampación en frío una determinada pieza cuyas características están definidas en los planos correspondientes, incluyendo los cálculos necesarios para su realización, los planos de todos los componentes del troquel y su lista de materiales. Para ello se va a aplicar un programa de diseño en tres dimensiones, que esta enfocado al diseño de piezas industriales, como “Autodesk Inventor”. El objetivo del trabajo es diseñar un troquel que sea económico, con las características de funcionalidad exigidas, así como dar una visión global de los pasos a seguir en la elaboración de un troquel, siguiendo y aplicando el modelado sólido de todos los componentes del mismo, cuando y porque escoger este método de fabricación, la elección de sus componentes, su diseño y los cálculos a realizar para asegurarnos de su correcto funcionamiento, realizando posteriormente una simulación que muestra el funcionamiento de las diversas etapas del troquel.

Palabras clave: Diseño, modelado sólido, utillajes, troquel.

ABSTRACT

The work that is going to develop consists of the design of a simple die that it is going to conform by stamping a part whose characteristics are defined in the corresponding drawings, including the necessary calculations for their accomplishment, the drawings of all the components of the die and their bill of material. It is going to use a 3D software, that this focused to the design of industrial parts, as "Autodesk Inventor". The objective of the work is to design an economic die, with the demanded characteristics of functionality, as well as to give a global vision of the steps to follow in the elaboration of a die, following and applying the solid modeling of all the components of the die, when and why to choose this method of manufacture, the election of its components, their design and the calculations to make to assure its correct operation. Making later a simulation that shows the operation of the diverse stages of the die.

Key words: Design, solid modeling, tool, die.

1. Introducción

En la elaboración de un trabajo de mayor alcance, sobre el estudio y análisis de troqueles progresivos para su mejora y optimización, se trata de conocer con detalle como es un troquel simple y realizar su diseño por medio de programas cad tridimensionales.

Este tipo de trabajos se caracterizan por la gran influencia que tiene el empirismo. Es por ello que se trata de analizar un caso práctico concreto que ayude a establecer cuales son las reglas básicas en las que se fundamenta y así desarrollar unas ayudas o directrices básicas que permitan sistematizar un poco más el diseño de troqueles.

Por otra parte, en la bibliografía consultada, se dan aspectos genéricos y un tanto ambiguos de cómo llevar a cabo el diseño de un troquel. Posiblemente, no se puedan dar directrices más específicas, pero se trata de avanzar en este sentido

1.- Elementos de partida. Preliminares.

Se trata de determinar cual es el proceso más efectivo para realizar una determinada pieza, tal cual es la que se muestra en la figura 1. Esta pieza se podría realizar por forja, fundición, o estampación, como es el caso a abordar. En la elección del proceso de fabricación están los aspectos económicos, las características técnicas obtenidas, y otras.

Figura 1. Plano pieza.

Un aspecto que es preciso tener en cuenta son los deshechos que se producen. En este sentido, los procesos de conformado con desprendimiento de viruta o recortes, se está tratando de minimizar, ya que los gastos que ello conlleva son importantes, al realizar un producto que prácticamente en su etapa final se elimina, con el correspondiente derroche energético y de materias primas. Para ello es preciso evaluar tanto los aspectos energéticos que intervienen como los residuos resultantes.

En este caso, un aspecto importante a considerar son las disponibilidades de máquinas-herramienta de la empresa, en las que se trata de poder hacerlo con herramientas que ya dispone o si es preciso la adquisición de otras nuevas.

Analizadas y ponderadas las diversas alternativas, se opta por realizar la pieza mediante troqueles simples.

Partiendo del plano de la pieza que se va a realizar, de las medidas y tolerancias requeridas, son necesarios tres troqueles simples, uno cortante para realizar la “forma plana”, el segundo para realizar el doblado de las alas y por último el de punzonado de los agujeros, que es el que se presenta en este trabajo (figura 2).

Figura 2. Pieza obtenida de cada troquel.

2.- El troquel

El troquel es un útil que se monta sobre una prensa (mecánica, neumática, etc) que ejerce una fuerza sobre los elementos del troquel, provocando que la pieza superior encaje sobre la inferior o matriz. Como consecuencia se produce la estampación del material que se ha interpuesto entre ambas piezas.

Un troquel puede realizar operaciones de: corte, punzonado, embutición, doblado, o conformado.

El troquel puede ser:

Simple, cuando en un solo golpe realiza la operación correspondiente sobre la pieza.

Progresivo, cuando se alimenta de forma continua, realizando las diversas operaciones en cada golpe. El troquel se compone de diversas etapas, de modo que cuando una parte del fleje, en su avance, ha pasado por todas ellas, se obtiene la pieza final.

3.- Diseño del troquel.

En el diseño se contempla:

- la calidad y características de la pieza a punzonar.

- la funcionalidad del troquel, en el que se ha de facilitar el acceso y sencillez para la colocación y extracción de la pieza, el trasporte del troquel para su instalación en la prensa, la reparación de las posibles averías que puedan darse y la sustitución de las piezas que por su desgaste sea preciso cambiar, lo que facilita su mantenimiento.

- el aspecto económico, lo que incide en el uso de piezas y accesorios comerciales y normalizados.

Las características de la pieza que se va a realizar permiten diseñar un troquel en el que se punzonan dos piezas de forma simultánea. De este modo se duplica la producción de la prensa, requiriendo de ésta un mayor esfuerzo que si se realizara sólo una, si bien la diferencia no es suficiente como para exigir mayores requerimientos a la prensa.

Por otra parte, la geometría de la pieza, aunque no es simétrica, ya que los agujeros laterales a punzonar son distintos, por lo que los punzones serán diferentes, permite la colocación de la pieza manualmente sin que ésta se pueda colocar de forma errónea, y además se equilibran los esfuerzos en el punzonado de los agujeros laterales.

El diseño se ha realizado en un programa de CAD 3D (Autodesk Inventor) con lo que se facilita la gestión de los elementos del troquel, la obtención de la mayor parte de las características necesarias de cada pieza, como el material, el peso, y otras, así como la lista de materiales, aspecto éste importante en este tipo de utillajes.

4.- Elementos del troquel.

Forman parte fundamental del troquel tres placas, (figura 3) sobre las que se montan todos los elementos que lo configuran, de los que se van a reseñar de cada uno de ellos, su función y características más significativas:

- La placa inferior, que se fija mediante pernos que se introducen por las guías de la mesa de la prensa y por los agujeros realizados al efecto en la placa. En ella, se fija la matriz y las columnas guía. Otro aspecto a considerar al diseñar esta placa es que los recortes sobrantes, en este caso las pepitas del punzonado han de pasar a través de ella hacia el foso de la prensa.

- La placa superior, que ha de anclarse en la parte superior de la prensa o carro mediante pernos que se introducen por las guías de la prensa y las diseñadas al efecto en la placa. Sobre ella se sitúan las herramientas que actuarán sobre la pieza y los pistones. Se ha de tener en cuenta que las columnas guía han de pasar a través de la placa y deben librar la prensa en su posición más desfavorable.

- La placa pisadora, va entre las anteriores y su función es fijar la pieza a la matriz antes de que baje totalmente la prensa y actúen las herramientas de corte, doblado u otras, que pasan a través de ella y lo hagan de forma precisa. En el proceso de ascenso de la prensa, tiene la importante función de evitar que la pieza sea arrastrada por las herramientas que han actuado sobre ella. Para ello se colocan unos pistones que mantienen la placa pisadora sobre la pieza durante un tramo del ascenso.

Figura 3. Placas superior, pisadora e inferior y guías. Se aprecia la matriz y un pistón.

- Pisador superior. Para preservar la placa, se coloca bajo ella lo que se denomina “pisador superior” y que tiene la forma negativa de la pieza.

- Columnas guía. El guiado de las placas es una faceta importante ya que para que realicen las placas superior y pisadora su desplazamiento con precisión, se disponen columnas o placas de guiado, que se fijan en la placa inferior. Por consiguiente el ajuste es con apriete y se suelen introducir incrementando la temperatura en la placa inferior. En las otras ha de haber juego y para evitar su deterioro y facilitar el deslizamiento, se colocan casquillos.

- Casquillos, son piezas de forma cilíndrica, que se fijan a la placa con un ajuste con apriete suave y con unas bridas para que no se salgan con el uso. El ajuste con la columna es con juego. Para facilitar el desplazamiento pueden tener nódulos de grafito, o bolas.

- Punzón, (figura 4) es un elemento de gran dureza que realiza un agujero en la pieza, tienen la forma del orificio que se pretende, usualmente circular. Son elementos normalizados, si bien hay medidas que es preciso realizar específicamente. En este caso, son cilíndricos y en la parte superior tienen una “cabeza” de mayor diámetro. El punzón es la pieza que más desgaste va a tener, por ello, se van a desmontar con facilidad para poderlos rectificar o cambiar cuando ya no sean recuperables. Además de los ocho punzones cilíndricos que lleva este troquel, hay otro más para separar las dos piezas finales, que tiene forma cuadrada.

- Portapunzones, es la pieza en la que se ubica el punzón, determinando su correcta posición y aportando rigidez, de modo que no sufran pandeo, ya que al ser relativamente largos y los esfuerzos tan grandes podrían verse afectados.

- Sufridera, entre el portapunzones y la placa se coloca una placa más fina, de gran dureza, que es la que transmite el esfuerzo a la cabeza del punzón y evita el deterioro de la placa.

- Pisadores, como se indicó, son formas negativas de la pieza que se fijan a la placa pisadora por su parte inferior.

Figura 4. Punzones, portapunzones y sufridera.

- Matriz, es un elemento básico del troquel, en la que se coloca la pieza para el punzonado. Tiene la forma negativa de la pieza y se apoya sobre la placa inferior, intercalándose una sufridera. Se disponen huecos interiores, que permiten la evacuación de las pepitas y residuos de corte. Es importante el diseño de estas oquedades pues se ha de evitar que los residuos se atasquen y obstruyan la salida hacia la fosa de la prensa, lo que podría provocar daños considerables en el troquel.

- Pistones, son resortes neumáticos consistentes en un vástago telescópico que se mueve por el interior de un cilindro que contiene nitrógeno a presión. El resorte neumático es un muelle de bajo coeficiente, que ofrece autonomía de funcionamiento al no requerir una instalación neumática ni canalizaciones con fluidos a presión. Se instalan entre la placa superior y la pisadora y su función es, cuando desciende la prensa, comprimir la placa pisadora fijando la pieza antes de que actúen los punzones (o herramientas) y cuando asciende, mantener fija la pieza mientras salen los punzones. La fuerza de extracción es del orden del 5 al 10% de la de punzonado.

- Setas, son piezas que se colocan en los lugares susceptibles de rotura, como son los de contacto del vástago del pistón con la placa pisadora. Se realizan con aleaciones que soporten bien los golpes y se colocan de modo que se puedan sustituir con sencillez.

- Cáncamos, son elementos para el transporte de las placas del troquel. Se han colocado en la inferior y en la superior ya que son las más pesadas. En la pisadora se han practicado agujeros roscados en los que se enroscan tornillos que hacen la función de los cáncamos, a los que se amarran las eslingas.

- Punzonado lateral (figura 5): los orificios laterales se podrían realizar en el troquel inicial de corte, pero no se aseguraría suficientemente su posición tras el doblado, por lo que se ha acordado realizar el punzonado lateralmente en éste troquel. Para ello es preciso transformar el desplazamiento vertical en otro horizontal, mediante cuñas que formen ángulos complementarios, en este caso de 45º, de modo que el punzonado se realice horizontalmente. En esta operación realizan unos esfuerzos considerables que es preciso tener en cuenta, por lo que se van añadir elementos que refuercen la acción de las cuñas.

Figura 5. Conjunto para el punzonado lateral: cuñas, reacciones, punzones, pisador lateral, placa deslizante, grapas, resorte,etc.

El conjunto de la cuña que aquí se aplica se compone de los siguientes elementos:

- Cuña horizontal.

- Soporte para unir la cuña al conjunto formado por la sufridera, los punzones, el portapunzones y el pisador lateral, un resorte que separa estos dos últimos y un pistón, que lleva la cuña a su posición de reposo.

- Placa de bronce al aluminio, sobre la que desliza la cuña, que se guía por medio de las grapas correspondientes.

- Cuña vertical o superior, que se fija a la placa superior, transmitiendo a la cuña horizontal la misma fuerza que ejerce la prensa. El rozamiento entre las cuñas se suaviza mediante nódulos de grafito.

- Reacciones, cuya misión es soportar la reacción de la cuña horizontal sobre la superior, se fija sobre la placa inferior y se completa con dos complementos o calas, con el objeto de emplear elementos normalizados que se encuentran en el mercado. Las calas tienen la función de evitar golpes de la cuña.

5.- Cálculos que se han realizado.

Se han realizado los cálculos necesarios para el correcto diseño del troquel. Se toma como dato de partida el material a troquelar, que puede estar dado por el cliente o bien a partir de las probetas realizar los ensayos, en este caso es de aplicación la norma UNE-EN-ISO 10002-1:2001.

Para el material ensayado se han obtenido los siguientes datos: σ y = 299 N/mm2 y σ u = 379 N/mm2.

De lo cual se contempla una resistencia de cortadura: t = 303 N/mm2

Se analiza la superficie a punzonar, para lo cual se aplica

F = Re · L · e; en que:

Re = Resistencia mecánica del material a cortadura. (N/mm2)

L = Longitud del perímetro de corte (mm)

e = Espesor de la chapa (mm).

de lo que resulta que la fuerza requerida es de 391035,438 N, aproximadamente 40 toneladas. A partir de este dato se determina la prensa mínima necesaria.

El cálculo de los pistones se obtiene, sabiendo que la fuerza necesaria para extraer el punzón es del orden del 5 al 8% de la de punzonado.

Tomándose en este caso el 7%, la fuerza necesaria para el pistón o pistones se obtiene con: Fp= 0,07 Ft

El resorte del pisador lateral es también objeto de cálculo y los requerimientos los mismos que los de los pistones.

Se analiza el pandeo de los pistones, siendo los valores de los esfuerzos a los que se somete, muy alejados de los obtenidos para pandeo. Téngase en cuenta que la parte afectada al pandeo es la que

queda libre desde el portapunzones. Es mucho más importante la rotura por compresión. Los punzones se van desgastando y es más fácil que rompan por el uso por su zona de trabajo.

6.- Lista de materiales.

Los materiales empleados son específicos según la función que han de realizar. Ya se ha indicado en algunos casos que requisitos debe cumplir el material a emplear en las piezas que configuran el troquel. Se han empleado siete tipos de aceros o aleaciones. En el caso de materiales que soportan rozamientos como los casquillos o las placas por las que deslizan las cuñas, se emplea bronce/aluminio, que sufren el desgaste y facilitan la lubricación, lo que requiere es que sean fácilmente accesibles para su recambio, de este modo se preservan las piezas con las que están en contacto. Las sufrideras son piezas que transmiten y reciben una parte importante del esfuerzo de la prensa, se colocan entre los punzones y las placas, evitando su deterioro, son más duras que las placas, por lo que se utiliza un acero de dureza 52-54 Rc. Los punzones, la matriz, los muelles y las columnas tienen las exigencias de dureza más estrictas de 60-62 Rc. Las cuñas, tienen un cementado en las superficies de contacto para resistir el golpeteo y los esfuerzos que transmiten. Las demás piezas, se fabrican en aceros que no requieren tantas exigencias. Estas especificaciones se indican en la lista de materiales.

La lista de materiales es un documento importante en el que se identifica cada elemento del troquel con sus características más significativas y sus especificaciones técnicas más destacadas.

En la lista de materiales se han consignado los datos siguientes:

Marca: es el número que se asigna a cada pieza del troquel.

Número de plano: es el plano de detalle de cada una de las piezas.

Cantidad.

Material: se indican las características materiales de cada pieza. En las comerciales no es preciso consignarlo.

Tratamiento térmico.

Dimensiones netas: son las dimensiones finales de la pieza.

Dimensiones brutas: son las dimensiones con la sobre medida de mecanizado.

Peso.

Proveedor.

Tabla 1: Lista de materiales, ejemplo de algunos de ellos.

Marca Nº Plano Cantidad Denominacion Material

Tratamiento termico

Dimensiones netas

Dimensiones brutas Peso (Kg) Proveedor

1 8 1 Placa inferior F-111 65x700x400 70x705x405 132,029 Bilbainos

2 9 1 Placa Superior F-111 55x770x400 60x775x405 108,005 Bilbainos

3 10 1 Placa pisador F-111 33x700x400 40x705x405 62,446 Bilbainos

4 11 2 Columna D50 F-521

T.R. 60-62 HRc

d= 50 ; L= 375 5,758 Bilbainos

5 12 1 Matriz F-521 T.R. 60-62 HRc 55x100x125 60x105x130 2,926

etc. etc. etc. etc. etc. etc. etc. etc. etc. etc.

7.- Consideraciones finales.

Cada vez más se van empleando los programas de CAD 3D en el diseño de componentes y utillajes, sin embargo, el cambio es paulatino y requiere unos esfuerzos importantes por parte de talleres y empresas, ya que en muchos casos implica el aprendizaje de una herramienta nueva para trabajos que se realizan de una forma bastante artesanal. Las grandes empresas han ido implantando pautas de trabajo al transmitir y exigir los pedidos en formatos informatizados, pero la diversidad de programas no ha facilitado esta transformación.

Se ha realizado un trabajo detallado con el que se han analizado las diferentes partes del troquel, se han asignado los materiales más adecuados a la función que realizan, se han calculado las partes susceptibles y en las que los requerimientos son exigentes para determinar su correcto diseño y las máquinas-herramienta que son necesarias, con lo que nos hemos introducido con cierto detalle en éste ámbito, con el apoyo de profesionales que trabajan en el sector. Por otra parte se han utilizado programas de modelado tridimensional, a partir de los cuales se han obtenido los planos y animaciones que visualizan su funcionamiento.

Se está trabajando en otros utillajes más sofisticados para contribuir en la mejora de su diseño y abordar tecnologías de las que no es fácil encontrar aspectos detallados de las mismas, cuando la experiencia es una parte importante para conocer sus entresijos.

Agradecimientos.

A Otecmatri por su inestimable colaboración en la realización de este trabajo.

Bibliografía Referencias.

ALTING, L: Manufacturing Engineering Processes. 2º Ed. Marcel Dekker, New York, 1999.

CERÓN HOYOS, José Enrique; FADÓN SALAZAR Fernando; Análisis geométrico para el “Diseño de banda” de piezas estampadas. XIII ADM - XV INGEGRAF, Congreso Internacional sobre herramientas y métodos en Diseño de ingeniería. Napoli, 4-6 de junio del 2003.

CERÓN HOYOS, José Enrique; FADÓN SALAZAR Fernando; Morfología y etapas en el diseño de troqueles progresivos. 4° Congreso Nacional y 1ro. Internacional, Rosario, Argentina – 6 a 8 de octubre de 2004.

COCA, P.; ROSIQUE, J.: Tecnología mecánica y metrotecnia, Ediciones Pirámide, Madrid 2002

DeGARMO, E. PAUL; Black, J.T.; KOHSER, Ronald A.; Materials and processes in manufacturing. Ed: Wiley, Hoboken, New Jersey 2003

DORF, R.C.; KUSIAK, A.: Handbook of design, manufacturing and automation. John Wiley & sons, New York, 1994.

KALPAKJIAN, Serope; SCHMID, S. R. Manufactura. Ingeniería y tecnología. Ed. Pearson Educación. México, DF, 2002

KAZANAS, H. C.; BAKER, Glenn E.; GREGOR, Thomas; Procesos básicos de manufactura. Ed: McGraw-Hill, México; 1983

http://www.infomecanica.com http://www.delteco.com

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