Embed Size (px)
Citation preview
DISEÑO DE UN TROQUEL PROGRESIVO PARA LA FABRICACIÓN DEL
FRONTAL DE PESTILLO DE UNA CERRADURA
JOHN EDISON NOVOA PEÑALOZA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C
2019
DISEÑO DE UN TROQUEL PROGRESIVO PARA LA FABRICACIÓN DEL FRONTAL
DE PESTILLO DE UNA CERRADURA
JOHN EDISON NOVOA PEÑALOZA
MONOGRAFÍA PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE:
INGENIERO MECÁNICO
DIRECTOR DEL PROYECTO
ING. VÍCTOR ELBERTO RUIZ ROSAS
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C
2019
3
Nota de aceptación
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
Firma del autor
_______________________________
Firma del jurado
_______________________________
Firma del jurado
______________________________
BOGOTÁ D.C, 20 DE MAYO DE 2019
4
DEDICATORIA
Dedicado a mis padres: Deissy Peñaloza y Edison Novoa.
Gracias por brindarme su apoyo durante estos años de formación
profesional. Este logro también es de ustedes.
5
TABLA DE CONTENIDO
RESUMEN ............................................................................................................. 15
INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 17
1. DESARROLLO DEL PROBLEMA .................................................................. 18
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ....................................................... 18
1.2 JUSTIFICACIÓN ....................................................................................... 19
1.3 OBJETIVOS .............................................................................................. 20
1.3.1 OBJETIVO GENERAL ....................................................................... 20
1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .............................................................. 20
1.4 METODOLOGÍA ....................................................................................... 20
2. MARCO TEÓRICO ......................................................................................... 22
2.1 TROQUELADO ......................................................................................... 22
2.2 COMPONENTES DE UN TROQUEL ....................................................... 22
2.3 OPERACIONES DE TROQUELADO........................................................ 24
2.4 CLASIFICACIÓN DE LOS TROQUELES ................................................. 26
2.4.1 Clasificación según las piezas producidas ......................................... 26
2.4.2 Clasificación de acuerdo con el número de estaciones ...................... 26
3. ANTECEDENTES ........................................................................................... 29
4. DISEÑO DE LA TIRA DE MATERIAL ............................................................. 33
4.1 PIEZA PARA FABRICAR .......................................................................... 33
4.2 DISPOSICIÓN DE LA TIRA DE MATERIAL ............................................. 34
4.2.1 Cálculo del despliegue de la pieza ..................................................... 34
4.2.2 Separaciones de la tira de material .................................................... 36
6
4.2.3 Desarrollo de la secuencia de operación ........................................... 38
5. CÁLCULOS PRELIMINARES ......................................................................... 43
5.1 FUERZAS DE CORTE .............................................................................. 43
5.2 FUERZA DE DOBLADO ........................................................................... 45
5.3 FUERZA TOTAL ....................................................................................... 46
5.4 TOLERANCIA DE CORTE ....................................................................... 47
5.5 CENTRO DE PRESIÓN ............................................................................ 50
6. DISEÑO DE COMPONENTES ....................................................................... 52
6.1 DISEÑO DE PUNZONES ......................................................................... 52
6.1.1 Longitud de punzones ........................................................................ 52
6.1.2 Punzones perforadores circulares ...................................................... 54
6.1.3 Punzón de paso ................................................................................. 55
6.1.4 Punzones perforadores rectangulares ............................................... 56
6.1.5 Punzón recortador del perfil exterior para doblado ............................ 57
6.1.6 Punzón de doblado ............................................................................ 57
6.1.7 Punzón separador .............................................................................. 58
6.2 DISEÑO DE MATRICES ........................................................................... 59
6.2.1 Perfil de la abertura de las matrices ................................................... 59
6.2.2 Cálculo de las dimensiones de las matrices ....................................... 61
6.2.3 Matriz primera estación ...................................................................... 64
6.2.4 Matriz segunda y tercera estación...................................................... 65
6.2.5 Matriz de doblado y última estación ................................................... 65
6.3 DISEÑO DE LA PLACA EXPULSORA ..................................................... 66
6.3.1 Cálculo de la fuerza de separación .................................................... 68
7
6.3.2 Placa expulsora .................................................................................. 69
6.3.3 Guías pisadoras ................................................................................. 70
6.4 DISEÑO DE OTROS COMPONENTES ................................................... 71
6.4.1 Placas porta-punzones ....................................................................... 71
6.4.2 Placas sufrideras ................................................................................ 72
6.4.3 Pilotos centradores ............................................................................. 73
6.4.4 Reglas guía ........................................................................................ 74
6.4.5 Casquillos y columnas ........................................................................ 75
6.4.6 Placas base superior e inferior ........................................................... 76
6.5 ENSAMBLES ............................................................................................ 77
7. ANÁLISIS FUNCIONAL .................................................................................. 79
7.1 SIMULACIÓN DE HERRAMIENTA .......................................................... 79
7.2 DETECCIÓN DINÁMICA DE INTERFERENCIAS .................................... 80
8. SELECCIÓN DE MATERIALES ..................................................................... 83
8.1 ACERO PARA PUNZONES Y MATRICES ............................................... 83
8.1.1 Dureza y resistencia al desgaste ....................................................... 83
8.1.2 Tenacidad .......................................................................................... 84
8.1.3 Selección del acero ............................................................................ 84
8.2 SELECCIÓN DE MATERIALES PARA LOS OTROS COMPONENTES .. 86
9. COSTOS DEL TROQUEL .............................................................................. 89
9.1 COSTOS DE FABRICACIÓN ................................................................... 89
9.1.1 Materiales ........................................................................................... 89
9.1.2 Mecanizado ........................................................................................ 90
9.1.3 Tratamientos térmicos ........................................................................ 91
8
9.1.4 Costo total .......................................................................................... 92
9.2 COSTO DE DISEÑO ................................................................................ 92
10. CONCLUSIONES ........................................................................................ 94
BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................... 97
9
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Componentes principales de un troquel .................................................. 22
Figura 2. Operación de recortado .......................................................................... 24
Figura 3. Operación de perforado en una pieza previamente embutida ................ 24
Figura 4. Operaciones de doblado y conformado .................................................. 25
Figura 5. Operación de embutido ........................................................................... 25
Figura 6. Troquel compuesto ................................................................................. 27
Figura 7. Troquel combinado con operaciones de embutido, perforado y recortado
............................................................................................................................... 27
Figura 8. Troquel progresivo .................................................................................. 28
Figura 9. Troquel de transferencia ......................................................................... 29
Figura 10. Frontal de pestillo de cerradura ............................................................ 33
Figura 11. Vista lateral pieza doblada .................................................................... 35
Figura 12. Despliegue de la pieza de trabajo ......................................................... 36
Figura 13. Economía del material en el diseño de la tira ....................................... 36
Figura 14. Distancias de separación y despliegue de la pieza en la tira de material
............................................................................................................................... 38
Figura 15. Secuencia de operaciones estación 1 .................................................. 40
Figura 16. Secuencia de operaciones estaciones 2 y 3 ......................................... 41
Figura 17. Secuencia de operaciones estaciones 4 y 5 ......................................... 42
Figura 18. Secuencia de operaciones de todo el troquel ....................................... 42
Figura 19. Doblado de borde ................................................................................. 45
Figura 20. Valores longitudinales para calcular la fuerza de doblado .................... 46
10
Figura 21. Tolerancia de corte ............................................................................... 48
Figura 22. Coordenadas de las operaciones de troquelado .................................. 50
Figura 23. Ubicación en la tira de material del centro de presión .......................... 51
Figura 24. Condición de apoyo para punzones guiados ........................................ 53
Figura 25. Punzón perforador circular .................................................................... 55
Figura 26. Punzón de paso .................................................................................... 56
Figura 27. Punzones perforadores rectangulares .................................................. 56
Figura 28. Punzón T recortador perfil exterior ....................................................... 57
Figura 29. Punzón de doblado ............................................................................... 58
Figura 30. Punzón separador................................................................................. 59
Figura 31. Perfil de la abertura de la matriz ........................................................... 60
Figura 32. Esquema para el cálculo de las dimensiones de la matriz .................... 62
Figura 33. Matriz primera estación ......................................................................... 65
Figura 34. Matriz segunda y tercera estación ........................................................ 65
Figura 35. Matriz de doblado y estación final ......................................................... 66
Figura 36. Método aplicando una placa fija ........................................................... 67
Figura 37. Método aplicando una placa elástica .................................................... 67
Figura 38. Placa expulsora .................................................................................... 70
Figura 39. Guías pisadoras .................................................................................... 71
Figura 40. Placas porta-punzones ......................................................................... 72
Figura 41. Placas sufrideras .................................................................................. 73
Figura 42. Piloto centrador ..................................................................................... 74
Figura 43. Reglas guía y componentes auxiliares ................................................. 75
11
Figura 44. Casquillos y columna ............................................................................ 76
Figura 45. Placa base superior .............................................................................. 76
Figura 46. Placa base inferior y paralelas .............................................................. 77
Figura 47. Subensambles troquel progresivo ........................................................ 78
Figura 48. Antes y después de la secuencia de troquelado ................................... 80
Figura 49. Detección dinámica de interferencias ................................................... 82
12
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Valores recomendados para la distancia entre piezas ............................. 37
Tabla 2. Cálculo de las fuerzas de corte ................................................................ 44
Tabla 3. Valores absolutos para tolerancia doble (2c) para algunos materiales .... 49
Tabla 4. Cálculo del centro de presión del troquel ................................................. 51
Tabla 5. Valores de la dimensión h en función del espesor del material ............... 60
Tabla 6. Valores de la constante Cm según las propiedades mecánicas .............. 62
Tabla 7. Resultados del cálculo de espesores de matriz y ancho de pared .......... 63
Tabla 8. Valores de la constante de separación Cs ............................................... 68
Tabla 9. Materiales típicos para punzones y matrices de corte ............................. 85
Tabla 10. Valor por kilogramo de los materiales del troquel progresivo ................. 90
Tabla 11. Costo hora-máquina............................................................................... 91
Tabla 12. Precios tratamientos térmicos ................................................................ 91
Tabla 13. Tabla de tarifas de servicios de ingeniería ............................................. 93
13
LISTA DE ANEXOS
Anexo 1. Frontal de pestillo
Anexo 2. Tira de material
Anexo 3. Punzones perforadores
Anexo 4. Punzón de paso
Anexo 5. Punzón recorte perfil exterior “T”
Anexo 6. Punzón doblar
Anexo 7. Punzón separador
Anexo 8. Pilotos centradores
Anexo 9. Matriz 1
Anexo 10. Matriz 2
Anexo 11. Matriz 3
Anexo 12. Porta-punzones 1
Anexo 13. Porta-punzones 2
Anexo 14. Porta-punzones 3
Anexo 15. Sufridera 1
Anexo 16. Sufridera 2
Anexo 17. Sufridera 3
Anexo 18. Base superior
Anexo 19. Regla posterior
Anexo 20. Regla anterior
Anexo 21. Base reglas, sostén y tope pisador
Anexo 22. Placa expulsora
Anexo 23. Guía pisadora 1
Anexo 24. Guía pisadora 2
Anexo 25. Guía pisadora 3
Anexo 26. Base inferior
Anexo 27. Columna
Anexo 28. Casquillo base superior
Anexo 29. Casquillo placa expulsora
14
Anexo 30. Tope fijo, paralelas y grapas
Anexo 31. Conjunto
Anexo 32. Subensamble parte superior
Anexo 33. Subensamble parte media
Anexo 34. Subensamble parte inferior
Anexo 35. Pasadores
Anexo 36. Tornillos Allen
Anexo 37. Tornillo limitador
Anexo 38. Resortes
Anexo 39. Acero recomendado Bohler
Anexo 40. Prensa
Anexo 41. Cotización Axxecol
Anexo 42. Cotización CGA
Anexo 43. Lista de precios Ferrotermicos
Anexo 44. Lista de precios Tratar
Anexo 45. Cotización del mecanizado Setemi
Anexo 46 Costos totales
15
RESUMEN
El presente trabajo está elaborado con el fin presentar el proceso de diseño de un
troquel progresivo para la fabricación de una pieza en chapa metálica. Se muestra
toda la metodología realizada, desde el planteamiento inicial hasta el diseño final.
Este documento contiene una breve introducción acerca del diseño en ingeniería de
troqueles. Luego, expone el planteamiento del problema, el cual explica los motivos
del porqué diseñar el troquel. Posteriormente, en la justificación, hace énfasis en las
principales razones para elaborar el proyecto. Por otra parte, se plantean los
objetivos a cumplir durante la elaboración del diseño. También, el documento
contiene información generalizada de los troqueles, por ejemplo, como la
clasificación de los troqueles, los componentes más comunes y los diferentes
procesos de transformación de chapa que se pueden hacer por troquelado, además,
contiene una breve información relacionada a trabajos de diseño de troqueles
elaborados por otros autores.
El diseño de la herramienta empieza a partir del modelado y plano del frontal de
pestillo. Esta geometría define gran parte de las dimensiones y formas de los
componentes del troquel. Desde las medidas de la pieza se calcula el despliegue y
el desarrollo de la disposición en la tira de material, en donde se establece las
estaciones y la secuencia de operaciones de troquelado necesarias para conformar
la pieza de trabajo. Con la disposición de la tira y la secuencia de operaciones se
realizan los cálculos respectivos y se diseñan los componentes principales, como
los son los punzones, matrices, y los otros elementos que influyen en la
funcionalidad del troquel. En el diseño se da una descripción de cada componente
y se explica su función. Después de definir geometrías y dimensiones, sigue el
proceso de selección de materiales y tratamientos que deben llevar los
componentes. Por otra parte, se muestra el análisis funcional realizado desde el
programa CAD, finalmente, se presenta la estimación del costo de fabricación y
diseño de la herramienta y las conclusiones respectivas.
16
Palabras clave: Troquel progresivo, diseño mecánico, herramental, selección de
materiales, diseño asistido por computador.
17
INTRODUCCIÓN
Una gran variedad de procesos de formado de láminas o chapas metálicas son
usados actualmente. Muchos de estos procesos de deformación son utilizados para
fabricar partes de aeronaves, automóviles, dispositivos electrónicos, etc. La
industria de la chapa metálica es una de las que más se ha desarrollado hasta la
actualidad, sin embargo, debido a la creciente demanda y al continuo avance
científico y tecnológico, se requiere mejorar y optimizar los procesos de
deformación, siendo estos cada vez más complejos con el fin de satisfacer las
demandas de productividad, y disminuir tiempos y costos.
Los troqueles son una de las principales herramientas mecánicas que se utilizan
para los procesos de transformación de chapa metálica. El troquelado comprende
procesos de deformación en los que una pieza de metal se forma por medio de
herramientas denominadas punzones y matrices.
El diseño de troqueles es una rama importante de la ingeniería de herramientas. Es
un proceso complicado que relaciona muchas variables y que requiere de mucha
exactitud. El diseño de estas herramientas depende de las características del
material de la pieza a troquelar, las condiciones y geometría de la pieza, la mecánica
de la deformación plástica, el equipo utilizado (Prensa) y los requisitos del producto
terminado. Estos factores influyen en la selección de la geometría, dimensiones y el
material de los componentes del troquel. Debido a la complejidad de muchas
operaciones de deformación de chapa metálica, es necesario recurrir a modelos de
diversos tipos para diseñar estos dispositivos.
El presente documento muestra la elaboración del proceso de diseño de un troquel
progresivo para la fabricación de una pieza de cerradura. Explica todo el
procedimiento de diseño realizado, desde el planteamiento inicial, cálculos, diseño
de componentes, simulación, selección de materiales y costos del troquel.
18
1. DESARROLLO DEL PROBLEMA
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En Colombia hay una compañía dedicada a la fabricación y venta de productos para
la seguridad de accesos, es decir, cerraduras residenciales y comerciales,
cierrapuertas, candados, barras antipánico y otros productos más. Es una empresa
multinacional que maneja diversas marcas de productos y se encuentra en varios
países.
Esta empresa transfiere información de sus productos a sus diferentes sucursales
y a veces es necesario fabricar las partes dentro de cada una de estas. El proceso
de fabricación que se emplea para la elaboración de la mayoría de las piezas que
conforman estos productos, debido a que se fabrican en chapa metálica, es por
medio del troquelado.
Esta empresa ha diseñado sus herramientas a partir del conocimiento y habilidad
de sus técnicos. Estas personas diseñan y fabrican los troqueles con base a su
experiencia, es decir, sus diseños son desarrollados de forma empírica. Las áreas
de esta empresa que involucran ingeniería están más centradas a fortalecer la
productividad, esto significa que no existe un departamento especializado en el
diseño de herramientas y simplemente cuentan con la capacidad de sus técnicos y
con poco personal que dominan algún software de diseño asistido por computador.
Algunas veces se requiere subcontratar a empresas especializadas en la
fabricación de componentes mecánicos para que se encarguen del diseño y
fabricación de los troqueles, debido a que la capacidad instalada solo alcanza para
la reparación y el mantenimiento de las herramientas.
Con base en lo anterior, esta empresa va a empezar a producir una nueva cerradura
en Colombia y es necesario diseñar los troqueles para elaborar cada una de las
piezas que conforman el producto, debido a que cada parte de la cerradura necesita
de una herramienta diferente. En este sentido, surge la necesidad de realizar el
19
diseño de uno de estos troqueles para fabricar el frontal de pestillo de esta
cerradura, aplicando conocimientos de metodologías de diseño mecánico,
ingeniería de troqueles y herramientas informáticas CAD.
1.2 JUSTIFICACIÓN
Se busca diseñar un troquel progresivo para fabricar el frontal de pestillo de una
cerradura que todavía no se fabrica en Colombia. La justificación principal del diseño
se basa en que esta empresa no diseña sus herramientas con base a conocimientos
de ingeniería, lo que conlleva a que se fabriquen herramientas que muchas veces
no funcionen correctamente desde un inicio y que sea necesario modificarlas
recurrentemente hasta que funcionen adecuadamente. Estas modificaciones
requieren de un gasto considerable, debido a que se desperdician materiales, se
rompe o se desgasta prematuramente la herramienta, se requiere rediseñar los
componentes y es necesario volver a comprar la materia prima para fabricarlos, se
aumenta el costo hora-máquina de las diferentes máquinas herramientas que se
utilizan para fabricar las piezas y cualquier otra alteración es reflejada en gastos
excesivos que podrían evitarse. El diseñar un troquel con bases de ingeniería de
troqueles y herramientas informáticas CAD disminuirían considerablemente los
posibles errores de diseño, manufactura y ensamble que se pudieran presentar.
Por otra parte, diseñar un troquel es un ejercicio interesante en el cual se
implementaría varias ramas de la carrera de ingeniería mecánica. Por ejemplo, se
aplican conocimientos en áreas de resistencia de materiales, diseño mecánico,
selección de materiales, tratamientos térmicos y dibujo de máquinas, es decir, que
el diseño de este tipo de dispositivos agrupa de forma adecuada varios
conocimientos aprendidos durante la carrera. También, se requiere profundizar en
el estudio de diseño de este tipo de herramientas, lo cual fortalece las competencias
de investigación y diseño de la persona que lo realice.
20
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 OBJETIVO GENERAL
Diseñar un troquel progresivo para la producción en chapa metálica del frontal de
pestillo de una cerradura
1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Establecer parámetros y restricciones de diseño de acuerdo con el material y
geometría de la pieza, volumen de producción y capacidad instalada
• Plantear el diseño conceptual de la tira de material y el diseño del troquel con
base a las restricciones y parámetros establecidos
• Realizar el diseño de detalle y cálculos técnicos requeridos para el
dimensionamiento, selección de materiales y características de los componentes
del troquel
• Diseñar con herramientas CAD el modelado del troquel y los planos de
fabricación, y validar la funcionalidad de la herramienta por medio de
simulaciones
• Elaborar una estimación del costo de diseño y fabricación de los componentes
de la herramienta
1.4 METODOLOGÍA
• Investigación preliminar:
Se buscará la información inicial necesaria para empezar el diseño del troquel. Se
requiere el modelado y plano de la pieza a troquelar, especificación técnica de la
materia prima y cantidad de piezas/mes estimadas.
• Planteamiento previo:
Se planteará la propuesta inicial de la disposición de tira de material y
configuraciones de los cortes de los punzones. Este desarrollo es importante, ya
21
que de este planteamiento depende gran parte del diseño de componentes del
troquel.
• Cálculos iniciales:
Se va a calcular la fuerza de corte, fuerza de expulsión, capacidad de la prensa,
tolerancias de corte, centro de presión y cualquier otro cálculo necesario antes de
modelar el troquel.
• Modelado:
Se realizará el modelado de los componentes del troquel en un software CAD.
• Diseño componentes:
Durante el modelado, será necesario realizar los cálculos técnicos necesarios para
determinar las geometrías y dimensionar los componentes del troquel a partir de los
cálculos iniciales y del diseño de la tira de material.
• Selección y adecuación de materiales:
Posteriormente se elegirán los materiales que aseguren la durabilidad y el buen
funcionamiento de la herramienta. Se escogerá cualquier otra característica que
favorezca el desempeño de los componentes.
• Análisis funcional:
Se utilizará una herramienta de simulación de movimiento para analizar el
comportamiento y verificar el funcionamiento del troquel. También, se realizarán
análisis de movimiento donde se evaluará la correcta interacción entre
componentes.
• Diseño final:
Se realizarán los reajustes necesarios al diseño, se seleccionarán elementos
normalizados y se darán los detalles finales de la herramienta, como lo son los
planos de fabricación.
• Cotización:
Se elaborará una estimación de los costos de diseño y fabricación de la herramienta.
22
2. MARCO TEÓRICO
2.1 TROQUELADO
Se define como troquelado al conjunto de operaciones con las cuales, sin producir
viruta, se somete a una lámina metálica plana a ciertas transformaciones con el fin
de obtener una pieza de forma geométrica propia. Normalmente estas operaciones
se ejecutan en prensas y se utiliza una herramienta denominada troquel.
2.2 COMPONENTES DE UN TROQUEL
Las principales partes que conforman un troquel se muestran en la figura 1.
Figura 1. Componentes principales de un troquel Fuente: Paquin, J. (2006). Die Design Fundamentals. New York: Industrial Press.
23
• Base superior e inferior
Las bases son elementos estructurales del troquel, albergan las herramientas y los
otros componentes. Se utilizan para montar el troquel al cabezal y la mesa de la
prensa.
• Punzón
Es la herramienta que genera presión a la chapa metálica, el punzón y la matriz son
los componentes encargados de dar forma la pieza de trabajo.
• Placa expulsora
La placa pisadora o expulsora separa la tira de material adherida a la periferia de
los punzones.
• Reglas guía
Las reglas son miembros delgados de acero con el cual se mantiene el
desplazamiento de la tira de material a través de la matriz.
• Matriz
La placa matriz es de acero de herramientas templado, junto con el punzón son los
elementos que transforman la tira de material gracias a la forma que estos poseen
y a la tolerancia existente entre ellos.
• Casquillos y columnas
Estos componentes se utilizan para mantener el alineamiento entre los conjuntos
superior e inferior del troquel.
• Placa porta-punzones
Es un bloque de acero de máquinas que retiene los punzones, manteniendo sus
cabezas contra la base porta punzones.
• Pilotos centradores
La cabeza de los centradores tiene forma redondeada y entra en los agujeros
previamente perforados en la tira. Debido a su forma corrigen la posición de la tira
antes de que se produzca el corte de la pieza.
24
• Elementos de unión
Esos elementos mantienen fijos los diversos componentes del troquel.
2.3 OPERACIONES DE TROQUELADO
• Recortado
Piezas troqueladas con contorno irregular que son recortadas y separadas de la tira.
Las operaciones de perforado y embutido deben ser realizadas en la tira antes de
la operación de recortado (Paquin, 2006).
Figura 2. Operación de recortado Fuente: Paquin, J. (2006). Die Design Fundamentals. New York: Industrial Press.
• Perforación
La operación de perforación hace agujeros en las piezas antes de que sea recortada
de la tira. Se perforan agujeros después de que la pieza ha sido conformada o
embutida. Frecuentemente es impracticable obtener agujeros antes o durante una
operación de conformado porque se deformarán en esa operación (Paquin, 2006).
Figura 3. Operación de perforado en una pieza previamente embutida Fuente: Paquin, J. (2006). Die Design Fundamentals. New York: Industrial Press.
25
• Doblado y conformado
Las matrices de doblar realizan doblados sencillos en piezas obtenidas por
troquelado. El doblado es sencillo cuando la línea de doblado es recta. Las matrices
de doblado son ampliamente utilizadas (Paquin, 2006).
Las matrices de conformar producen formas más complicadas en las piezas de
trabajo. Las líneas de doblado son curvas en lugar de rectas (Paquin, 2006).
Figura 4. Operaciones de doblado y conformado Fuente: Paquin, J. (2006). Die Design Fundamentals. New York: Industrial Press.
• Embutido
Las matrices de embutir transforman las chapas planas en vasijas, cilindros u otras
formas estiradas, sometiendo el material a una fuerte deformación plástica. (Paquin,
2006).
Figura 5. Operación de embutido Fuente: Paquin, J. (2006). Die Design Fundamentals. New York: Industrial Press.
26
2.4 CLASIFICACIÓN DE LOS TROQUELES
2.4.1 Clasificación según las piezas producidas
Dependiendo de la cantidad de piezas producidas (altas, medias o bajas) los
troqueles se pueden clasificar de la siguiente forma:
• Clase A
Estos troqueles se usan solo para producciones altas. Se utilizan los mejores
materiales, y todos los componentes o secciones delicadas están cuidadosamente
diseñadas para un fácil reemplazo. Poseen una vida útil larga, precisión constante
durante todo su funcionamiento y facilidad de mantenimiento. Estas características
son independientes del costo de la herramienta (Boljanovic, 2014).
• Clase B
Estos troqueles son aplicables a cantidades de producción mediana y están
diseñados para producir solo la cantidad designada. El costo del troquel en relación
con la producción total se convierte en una consideración importante. Se pueden
usar materiales más baratos, siempre que sean capaces de producir la cantidad
total, y se tiene menos en cuenta el problema de la facilidad de mantenimiento
(Boljanovic, 2014).
• Clase C
Estos troqueles representan las herramientas más baratas que se pueden construir
y son adecuadas para la producción de piezas de bajo volumen (Boljanovic, 2014).
2.4.2 Clasificación de acuerdo con el número de estaciones
• Troquel de una estación o coaxial
Los troqueles de única estación pueden ser compuestos o combinados.
▪ Troquel compuesto
Un troquel en el que dos o más operaciones de corte se coordinan para producir
una pieza en cada golpe de prensa se denomina troquel compuesto (Boljanovic,
2014).
27
Figura 6. Troquel compuesto Fuente: Paquin, J. (2006). Die Design Fundamentals. New York: Industrial Press.
▪ Troquel combinado
Un troquel en el que las operaciones de corte y no corte se coordinan para producir
una pieza de un golpe de la prensa se denomina troquel combinado (Boljanovic,
2014).
Figura 7. Troquel combinado con operaciones de embutido, perforado y recortado Fuente: Paquin, J. (2006). Die Design Fundamentals. New York: Industrial Press.
28
• Troquel de múltiples estaciones
Los troqueles de múltiples estaciones están dispuestos de manera que una serie de
operaciones secuenciales se coordina con cada carrera de prensa. Dos tipos de
troqueles son usados:
▪ Troquel progresivo
Un troquel progresivo se usa para transformar tiras de material en piezas completas.
Esta transformación se realiza de forma gradual o progresiva mediante una serie de
estaciones que cortan, forman y embuten el material en la forma deseada. Los
componentes que realizan las operaciones en el material son únicos para cada
parte. Estos componentes están ubicados y guiados en aberturas de corte de
precisión en placas, que a su vez están ubicadas y guiadas por pasadores
(Boljanovic, 2014).
Todo el troquel es accionado por una prensa mecánica que mueve el troquel hacia
arriba y hacia abajo. La prensa también es responsable de alimentar el material a
través del troquel, progresándolo de una estación a la siguiente con cada carrera.
Figura 8. Troquel progresivo Fuente: Paquin, J. (2006). Die Design Fundamentals. New York: Industrial Press.
29
▪ Troquel de transferencia
En las operaciones de troquelado de transferencia, piezas individuales recortadas
en forma de blanco se mueven mecánicamente estación por estación dentro de un
conjunto de troqueles único. Las piezas de trabajo grandes se realizan con líneas
de prensas en tándem donde se mueve el material desde prensa a prensa en la que
se realizan operaciones específicas (Boljanovic, 2014).
Figura 9. Troquel de transferencia Fuente: Wikipedia. (s.f.). Transfer Stamping. Obtenido de Wikipedia:
https://en.wikipedia.org/wiki/Transfer_stamping
3. ANTECEDENTES
En la información y textos encontrados se encuentran algunos trabajos relacionados
al presente estudio que sirven de base para el desarrollo del proyecto.
En la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, los estudiantes de ingeniería
mecánica Cindy Lorena Sarmiento Beltrán y Daniel Camilo Velásquez, en su
monografía “Diseño de un troquel coaxial doble para la producción de la pieza tapa
betún 30g-36g y uso exclusivo de la prensa (Alfons Haar P15) en la empresa
Incoltapas S.A.”, plantearon un diseño de un troquel coaxial doble para ampliar la
30
capacidad de producción y disminuir costos de mano de obra en la producción de
una tapa metálica de betún.
Para iniciar el proceso de diseño, ellos realizaron una matriz QFD para poder
escoger las principales necesidades del cliente, enfocarse en ellas y convertirlas en
requerimientos de diseño. Este diseño de troquel coaxial doble se basa en el troquel
coaxial simple que actualmente trabajaba en esta empresa. En el proceso de diseño
se calcularon la fuerza de corte, tolerancias de corte y otros requerimientos en base
al material de la tira, la disposición en esta y las especificaciones de la prensa. Los
diseños de los componentes del troquel (matrices, punzones, expulsores, porta
punzones, entre otros) se basaron en las geometrías que ya se tenían en el troquel
coaxial simple. Todo el modelado CAD de la herramienta se hizo en Solid Edge.
Hicieron un análisis de elementos finitos estático estructural con ANSYS. Por último,
mostraron cotizaciones para la fabricación de algunos de los componentes del
troquel.
Miguel Ángel Archundia López, en su tesis de grado “Diseño y manufactura de un
troquel de corte con fines didácticos” para optar por el título de ingeniero mecánico
en la Universidad Nacional Autónoma de México, desarrolla el diseño y fabricación
de un troquel de corte progresivo de dos pasos para que sea utilizado como recurso
educativo para los estudiantes de esa misma universidad.
En su trabajo, el autor inicia su escrito abordando los conceptos fundamentales del
troquelado, enfatizando en los principios de corte y los factores que están
involucrados en este proceso. Más adelante, describe los principios básicos que se
deben tener presentes para diseñar los elementos más importantes que constituyen
un troquel, como lo son la matriz, punzón, pisadores, entre otros. Por otra parte, se
desarrolla paso a paso el diseño y los cálculos correspondientes de los elementos
del troquel, usando el programa Siemens NX como herramienta de apoyo. Se
muestra la geometría seleccionada, las fuerzas necesarias para realizar el proceso,
el diseño de la tira a troquelar, el dimensionamiento de la matriz, el diseño del
31
punzón, la tolerancia entre matriz y punzón, así como otros parámetros básicos del
troquel. Por último, explica cómo se realizó el proceso de manufactura del troquel,
los materiales utilizados, el tipo de maquinado empleado, algunos parámetros de
corte y las herramientas utilizadas. Se describe el proceso de ensamble de todos
los elementos y las pruebas realizadas para verificar el funcionamiento de la
herramienta.
Manoj Balakrishnan y Jason Cherian Issac, en su artículo llamado “Design of the
Multi-Stage Progressive Tool for Blanking a Sheet Metal Component”, publicado en
la revista The International Journal of Precision Engineering and Manufacturing
describen el proceso de diseño de un troquel progresivo de solo corte para fabricar
un componente en lámina metálica.
Este documento empieza con el diseño de la tira de material, donde se describe el
procedimiento para buscar la disposición más adecuada para que el porcentaje de
aprovechamiento de la materia prima sea el más alto posible. Escogen entre tres
posibilidades (acomodando la pieza horizontal, vertical o inclinada), los autores
calculan que la disposición horizontal es la más optima de las tres. Más adelante,
se muestra el procedimiento para calcular las fuerzas de corte, tolerancia de corte,
la fuerza de expulsión y la carga total que debe ejercer la prensa. También,
describen la forma de calcular el espesor de las matrices y diferentes placas con
base a las fuerzas anteriormente halladas. Se realiza una descripción del
procedimiento de diseño de los componentes del troquel, como lo son las matrices,
placas guías, punzones, placa expulsora, y otros. Muestran el cálculo del centro de
presión de la herramienta. Explican el procedimiento para seleccionar los
componentes normalizados del troquel, como los tornillos, pasadores y columnas.
Finalmente, se muestra el ensamble final del troquel y se resumen las
consideraciones dimensionales finales.
32
Zhi-Xin Jia, Hong-Lin Li, Xue-Chang Zhang, Ji-Qiang Li y Bo-Jie Chen, en su artículo
denominado “Computer-aided structural design of punches and dies for progressive
die based on functional component”, publicado en la revista The International
Journal of Precision Engineering and Manufacturing, presenta el desarrollo de una
herramienta computacional para el diseño estructural de punzones y matrices para
un troquel progresivo que se utiliza para fabricar el núcleo de un motor eléctrico.
En primer lugar, los autores explican que la forma de fabricación tradicional del
núcleo del motor es engorrosa, muy ineficiente y que se presentan muchos errores;
y que al usar troqueles progresivos aumenta considerablemente la eficiencia del
proceso y la calidad de las piezas. El objetivo de este documento es desarrollar una
herramienta computacional para seleccionar punzones y matrices con base a
componentes funcionales del software SolidWorks, es decir, que a partir de una
librería de componentes que posee la empresa encargada de fabricar los núcleos
de los motores, se puedan seleccionar y agregar de forma automática al modelado
del troquel.
Los autores organizan la librería y dividen los punzones y matrices en tres grupos:
normalizados, semi normalizados y no normalizados. Lo que pretenden es que a
partir de la geometría y del tipo de operación que se quiere troquelar, se puedan
seleccionar los punzones y matrices de acuerdo con la configuración que se
seleccione, además, que estos componentes se generen e inserten al ensamble del
troquel automáticamente. Asimismo, que se modifique el modelado de los otros
elementos que componen el troquel de forma automática. En el documento se
muestran diferentes ejemplos de selección de punzones y matrices que se adecuan
según el tipo de operación que se quieren realizar, por ejemplo, se muestra la
generación automática del punzón y matriz para una operación de perforado basada
en una geometría circular presente en la tira del material. Por último, los autores
especifican que esta herramienta solo sirve para generar punzones y matrices de
perforado y recortado, pero que se puede ajustar para que también sirva para hacer
otro tipo de operaciones.
33
4. DISEÑO DE LA TIRA DE MATERIAL
4.1 PIEZA PARA FABRICAR
Para empezar el diseño de un troquel, es necesario hacer un estudio de la pieza
que se va a fabricar, debido a que, con la geometría, cantidad de piezas y material
de fabricación, se empieza a diseñar la tira, las estaciones y los principales
componentes del troquel.
La geometría y material del frontal de pestillo ya está completamente definido por la
empresa. La pieza en vista isométrica y sus medidas está mostrada en la figura 10.
Esta pieza hace parte del conjunto de componentes que conforman una cerradura
y es necesario fabricarla para cerraduras de izquierda y de derecha. Para este caso,
la geometría particular de la pieza permite que se pueda utilizar la misma para
cerraduras de izquierda y derecha, es decir, que solamente se requiere un troquel
o una sola configuración de este. El plano de la pieza y sus características se
muestra como anexo al final del documento (Anexo 1).
Figura 10. Frontal de pestillo de cerradura Fuente: Del autor.
34
El frontal de pestillo se fabricará, según la información de la empresa, en acero AISI
1020 laminado en frio.
Por otra parte, como las piezas de esta cerradura todavía no se fabrican en
Colombia, el valor estimado de la cantidad de piezas requeridas es de 100.000
piezas mensuales.
4.2 DISPOSICIÓN DE LA TIRA DE MATERIAL
La mayor parte del costo de producción de una pieza troquelada es la materia prima,
es decir, economizar el material es el punto más importante para tener en cuenta
en el diseño de la tira del troquel. La posición de la pieza desplegada en la tira debe
ser cuidadosamente diseñada para evitar grandes desperdicios de material, por lo
tanto, se debe diseñar la tira de tal forma que el retal o desperdicio sea lo más
mínimo posible (Boljanovic, 2014).
En el diseño de la tira, el primer paso es desplegar y hacer el desarrollo de la pieza
de trabajo, lo que significa calcular el blanco necesario para obtener la pieza de tal
forma que se vea como una figura plana. En este caso, la pieza posee solamente
un doblez, por lo tanto, es necesario calcular la longitud inicial de esta pieza antes
de la operación de doblado.
4.2.1 Cálculo del despliegue de la pieza
Para obtener la longitud inicial del ancho de la pieza es necesario determinar la
longitud antes del proceso de doblado, debido a que se debe de tener en cuenta el
estiramiento y la deformación plástica generada. Este cálculo se realiza a partir de
la geometría del doblez y la longitud hallada se denomina tolerancia de doblado. El
valor se calcula a partir de la siguiente ecuación:
𝐴𝑏 = 2𝜋𝛼
360°(𝑅 + 𝑘𝑏𝑎𝑇) (1)
35
donde 𝐴𝑏 = tolerancia de doblado (mm); 𝛼 = ángulo de doblado en grados; 𝑅 =
radio de doblado, (mm); 𝑇 = espesor del material, (mm); y 𝑘𝑏𝑎 es un factor para
estimar el estirado. Los siguientes valores de diseño se recomiendan para 𝑘𝑏𝑎: si
𝑅 < 2𝑇, 𝑘𝑏𝑎 = 0,33; y si 𝑅 ≥ 2𝑇, 𝑘𝑏𝑎 = 0,50 (Groover, 2007).
Hay que resaltar que en este cálculo no se tiene en cuenta el fenómeno de la
recuperación elástica (springback) porque los requerimientos de diseño y
características funcionales de la pieza no lo requiere.
Para este caso particular, la vista de perfil de la pieza se muestra en la siguiente
figura:
Figura 11. Vista lateral pieza doblada Fuente: Del autor.
Reemplazando los datos de la figura 11 en la ecuación 1 y tomando como factor de
estiramiento 0,50, el valor de la tolerancia de doblado es:
𝐴𝑏 = 2𝜋53,5°
360°(10,7 𝑚𝑚 + (0,5)(2,4 𝑚𝑚)) = 11.1 𝑚𝑚
Al sumar el valor de la tolerancia de doblado a la longitud restante de la pieza sin
doblar, se obtiene el ancho total de la pieza desplegada.
La longitud del ancho de la pieza entonces es:
51,3 𝑚𝑚 + 11,1 𝑚𝑚 = 62,4 𝑚𝑚
De acuerdo con el plano de la pieza y la longitud del ancho calculada, el despliegue
de la pieza de trabajo es mostrado en la figura 12.
36
Figura 12. Despliegue de la pieza de trabajo Fuente: Del autor.
A partir de tener las dimensiones principales de la pieza en forma de blanco, se
puede hacer la proyección de la tira de material en cada una de las estaciones que
sean necesarias hasta conformar la pieza final.
4.2.2 Separaciones de la tira de material
El diseño de la tira de material debe incluir la cantidad mínima de desperdicio viable
entre pieza y pieza, proporcionando a la tira la suficiente rigidez y estabilidad para
soportar los esfuerzos durante cada una de las etapas de troquelado. Para obtener
la distancia de separación entre piezas y distancia hasta el borde de la tira, se sigue
a partir de lo siguiente:
Figura 13. Economía del material en el diseño de la tira Fuente: Boljanovic, V. (2014). Sheet Metal Forming Processes and Die Design. South Norwalk: Industrial
Press.
37
Donde 𝑚 = distancia desde el borde del blanco hasta el lado de la tira; 𝑛 = distancia
entre piezas (puente); 𝑡 = paso de la tira; 𝐷 = ancho del blanco; 𝑏 = largo de la
pieza; 𝑇 = espesor del material; y 𝐵 = ancho de la tira (Boljanovic, 2014).
Basándose en la información mostrada en la figura 12, el ancho del blanco 𝐷 es
62,4 mm y el largo de la pieza b es 123,4 mm.
El valor de 𝑚 se calcula con la siguiente fórmula (Boljanovic, 2014):
𝑚 = 𝑇 + 0,015𝐷
(2)
Y el valor del puente 𝑛 se obtiene a partir de los datos recomendados de la siguiente
tabla:
0,61 a 0,8 0,81 a 1,25 1,26 a 2,5 2,51 a 4,0 4,1 a 6,0
n 3,5 4,3 5,5 6 7
Dimensión (mm) Espesor del Material T > 0,6 (mm)
Tabla 1. Valores recomendados para la distancia entre piezas Fuente: Boljanovic, V. (2014). Sheet Metal Forming Processes and Die Design. South Norwalk: Industrial
Press.
Reemplazando en la ecuación 2, el resultado es:
𝑚 = 2,4 𝑚𝑚 + 0,015(62,4 𝑚𝑚) = 3.3 𝑚𝑚
Este valor es la distancia mínima que debe haber desde el borde del blanco hasta
el lado de la lámina. Para poder obtener un ancho de lámina con valor entero, se
decide aumentar el valor de 𝑚 hasta 3,8 mm, lo que permite establecer el ancho de
tira en 70 mm.
Se toma el valor del puente como 5,5 mm sabiendo que se tiene un espesor de
lámina alrededor de 2,4 mm.
El paso de la tira se calcula simplemente al sumar el largo de la pieza y el valor de
la distancia entre piezas, es decir, el paso es 128,9 mm.
38
Con base a lo anterior y teniendo la geometría del blanco definida, el despliegue de
la pieza en la tira de material se muestra de manera más clara en la figura 14. Las
distancias de separación establecidas están presentadas en forma de cotas.
Figura 14. Distancias de separación y despliegue de la pieza en la tira de material Fuente: Del autor.
4.2.3 Desarrollo de la secuencia de operación
Habiendo obtenido el despliegue y las separaciones entre piezas de la tira de
material, se puede realizar todo el diseño de cada una de las estaciones del troquel.
Como es un troquel progresivo, la tira de material va atravesando el troquel de
estación en estación hasta conformar la pieza final.
Existen algunos principios que se recomiendan seguir para hacer el desarrollo de la
tira durante la secuencia de operación y así garantizar una correcta construcción
del troquel, algunos de estas pautas son las siguientes:
• Perforar orificios de pilotaje y muescas en la primera estación de la matriz
Una consideración importante en el trabajo de troquel progresivo es la medición y
ubicación adecuadas de la pieza a lo largo de una secuencia de operaciones. Se
deben proporcionar medios para facilitar la ubicación en las primeras operaciones.
Estos orificios de pilotaje o puntos de ubicación se pueden usar a lo largo del resto
39
de las operaciones para garantizar que una pieza se produzca de acuerdo con las
especificaciones (Semiatin, 2006).
• Distribuir los orificios perforados en varias estaciones si están demasiado
cerca entre sí
Si bien se recomienda que todos los orificios se perforen en la misma estación, para
mantener mejor las tolerancias, los orificios que están demasiado cerca entre sí
pueden causar daños a los punzones debido al apiñamiento del metal. Esto puede
compensarse en algunos casos al acomodar los punzones para permitir que los
punzones más grandes perforen primero, seguidos de los punzones más pequeños.
Sin embargo, si el número de orificios a perforar es grande, se pueden lograr
mejores resultados al extender las operaciones de perforación (Semiatin, 2006).
• Diseñar la forma de las áreas en blanco lo más simple posible
Las líneas a lo largo de las cuales se cortan las piezas de desecho deben ser lo
más simples posible para reducir los problemas involucrados en cortarlas. Los
diseños más simples pueden permitir el uso de punzones comerciales
estandarizados, obteniendo así las máximas ventajas con respecto a los costos de
herramientas (Semiatin, 2006).
• Considerar el uso de estaciones inactivas para fortalecer la matriz y
facilitar el movimiento de la tira
Aunque a primera vista puede parecer que sería mejor realizar el trabajo en todas y
cada una de las estaciones de un troquel, hay muchos casos en los que una
estación inactiva ofrece ventajas concretas. En el mejor de los casos, un troquel
progresivo implica la acumulación de numerosas operaciones en un espacio corto.
La existencia de numerosas secciones en un troquel tiende a debilitar el troquel de
forma general. Mediante la adición de una o dos estaciones inactivas, la matriz
puede reforzarse materialmente. El movimiento de la banda y el control del metal
también pueden facilitarse mediante la inclusión de estaciones inactivas. A menudo
hay fuerzas severas en el trabajo en las estaciones de trabajo contiguas que tienden
a romper la banda portadora. Si una estación inactiva se coloca entre dos
40
estaciones de este tipo, las tensiones se ejercen sobre una mayor longitud de
banda, proporcionando una mayor protección (Semiatin, 2006).
Siguiendo estas recomendaciones, el desarrollo de las operaciones es el siguiente:
• Estación 1
En la primera estación se perforan los dos agujeros de 9 mm de diámetro, estos
agujeros, además de pertenecer a la geometría requerida, servirán como agujeros
de pilotaje.
En la misma estación se recorta un lado recto de la pieza con un punzón de paso
de geometría rectangular. Este corte sirve para dar una medida externa y se utilizará
como tope para garantizar el paso de la tira a través del troquel.
La figura 15 muestra de manera más clara las operaciones realizadas en la tira
durante la estación 1.
Figura 15. Secuencia de operaciones estación 1 Fuente: Del autor.
• Estaciones 2 y 3
En la segunda estación se perfora uno de los agujeros rectangulares, el agujero
derecho. Se decide no perforar ambos agujeros en la misma estación debido a la
distancia tan corta que hay entre uno y otro, debido a que esto debilitaría
considerablemente la matriz.
41
En la tercera estación se perfora el segundo agujero rectangular. También, entre la
segunda y tercera estación, se recorta el contorno exterior requerido para luego
poder realizar la operación de doblado.
La figura 16 muestra con más detalle la secuencia de las operaciones en las
estaciones 2 y 3.
Figura 16. Secuencia de operaciones estaciones 2 y 3 Fuente: Del autor.
• Estaciones 4 y 5
En la cuarta estación se realiza la operación de doblado.
Para finalizar, entre la cuarta y quinta estación se realiza la última operación, en
donde se recorta el puente y se separa la pieza ya terminada de la tira de material.
La figura 17 muestra las operaciones finales de la secuencia de troquelado.
42
Figura 17. Secuencia de operaciones estaciones 4 y 5 Fuente: Del autor.
Para mayor claridad, la figura 18 presenta la secuencia desarrollada para todas las
estaciones del troquel.
Figura 18. Secuencia de operaciones de todo el troquel Fuente: Del autor.
43
5. CÁLCULOS PRELIMINARES
5.1 FUERZAS DE CORTE
Después de haber diseñado la secuencia de operaciones del troquel, ahora es
necesario calcular las fuerzas que deben ejercer los punzones al momento de
penetrar y cortar la tira de material.
Estas fuerzas permiten estimar la carga total que debe ejercer la prensa, lo que
facilita escoger el tipo más adecuado de prensa para realizar el trabajo.
Las fuerzas generan unos esfuerzos cortantes en el material, sometiéndolo hasta el
punto de llegar a la fractura. La fórmula para calcular la fuerza de corte para perforar
o recortar un material es:
𝐹𝑐 = 𝜏𝐿𝑇 (3)
donde 𝐹𝑐 = fuerza de corte (N); 𝜏 = resistencia al corte de la lámina metálica (MPa);
𝐿 = longitud de corte (mm); y 𝑇 = espesor del material (mm) (Boljanovic, 2014).
El valor de la resistencia al corte se define a partir del tipo de material de la lámina,
es decir, acero AISI 1020. Este dato es tomado de una tabla de propiedades donde
presenta información de la resistencia al corte de distintos materiales utilizados en
láminas metálicas. Este valor es de 379 MPa (Semiatin, 2006).
El espesor del material es un valor aproximadamente constante y está dado por el
plano de la pieza, 2,4 mm.
La longitud de corte se debe especificar individualmente para cada punzón, ya que
este dato se obtiene al definir el perímetro de la figura a cortar. Como ya se tiene
desarrollada la secuencia de trabajo del troquel y las operaciones en cada etapa,
es claro que hay que determinar siete perímetros para las operaciones de recorte y
perforado establecidas.
Para ejemplificar mejor lo descrito, se realizará la secuencia de cálculos para la
primera operación.
44
En la primera operación, se perfora un agujero de 9 mm de diámetro, es decir, la
longitud de corte 𝐿 para este caso sería el perímetro del círculo correspondiente.
Reemplazando en la ecuación 3 se obtiene que:
𝐹𝑐 = (379 𝑀𝑃𝑎)(𝜋)(9 𝑚𝑚)(2,4 𝑚𝑚) = 25718 𝑁
Normalmente, para seleccionar la cantidad de carga que debe ejercer la prensa, los
valores de fuerza se trabajan con unidades de toneladas-fuerza (T). El valor
correspondiente para la fuerza calculada es de 2,6 T.
Este mismo procedimiento se sigue para las otras seis operaciones de corte. La
tabla 2 muestra los valores calculados para las fuerzas de corte en todas las siete
operaciones, estas están dadas en unidades de kilonewton (kN) y toneladas-fuerza
(T). También, hay una pequeña descripción de la fuerza de corte calculada según
la operación y el perímetro correspondiente. Asimismo, resalta los valores
constantes que fueron utilizados para hacer cálculo.
Espesor Chapa (mm) 2,4
Resistencia al corte (MPa) 379
Operación Descripción Perimetro (mm) Fuerza (kN) Fuerza (T)
1 Perforación circular izquierda 28,3 25,7 2,6
2 Perforación circular derecha 28,3 25,7 2,6
3 Recorte punzón de paso 136,6 124,2 12,7
4 Perforación rectangular derecha 99,8 90,7 9,2
5 Perforación rectangular izquierda 112,5 102,4 10,4
6 Recorte perfil de doblado 188,4 171,4 17,5
8 Recorte del puente y separación de la pieza 95,0 86,4 8,8
Total 626,5 63,9
Datos Fijos
Cálculo de fuerzas de corte
Tabla 2. Cálculo de las fuerzas de corte Fuente: Del autor.
Por último, se debe realizar la sumatoria entre todas las fuerzas de corte calculadas
para obtener el valor total. El resultado de la sumatoria da como resultado un
tonelaje total de 63,9 T.
45
5.2 FUERZA DE DOBLADO
Debido a que en una de las estaciones del troquel (estación 4) se requiere una
operación de doblado de borde, similar a como se muestra en la figura 19. Esta
fuerza se debe calcular de forma diferente a las fuerzas de corte, debido a que el
material no va a ser llevado a la fractura, sino que se deformará plásticamente.
Figura 19. Doblado de borde Fuente: Boljanovic, V. (2014). Sheet Metal Forming Processes and Die Design. South Norwalk: Industrial
Press.
La fuerza requerida para realizar el doblado depende de la forma del punzón y de
la matriz, así como de la resistencia, espesor y ancho de la lámina de metal que se
dobla. La fuerza máxima de doblado se puede calcular por medio de la siguiente
ecuación:
𝐹𝐷 =𝑘𝑏𝑓 𝜎𝑈𝑇𝑆𝑤𝑇2
𝑙 (4)
donde 𝐹𝐷 = fuerza de doblado (N); 𝜎𝑈𝑇𝑆 = resistencia última a la tensión de la lámina
(MPa); 𝑤 = ancho de la pieza en la dirección del eje de doblez (mm); 𝑇 = espesor
del material (mm); y 𝑙 = dimensión de la abertura del troquel (mm). En mecánica, la
ecuación 4 se basa en el doblado de una viga simple, y 𝑘𝑏𝑓 es una constante que
considera las diferencias encontradas en un proceso real de doblado (Groover,
2007). Su valor depende del tipo del doblado; para doblado de bordes en V, 𝑘𝑏𝑓 =
1,33.
46
El dato de la resistencia última a la tensión se toma de una tabla de propiedades
para aceros en donde se encuentran las propiedades para el acero AISI 1020
laminado en frio, este valor es de 420 MPa (ASM International Comitee, 1990).
Los valores longitudinales (𝑇, 𝑤, 𝑙) se toman del modelado y el plano de la pieza.
Estos datos están mostrados en forma de cotas en la figura 20.
Figura 20. Valores longitudinales para calcular la fuerza de doblado Fuente: Del autor.
Reemplazando los datos en la ecuación 4, el valor de la fuerza de doblado será:
𝐹𝐷 =(1,33) (420 𝑀𝑃𝑎)(92,4 𝑚𝑚)(2,4 𝑚𝑚)2
(10,5 𝑚𝑚)= 28314 𝑁
El valor correspondiente en toneladas-fuerza es de 2,9 T.
5.3 FUERZA TOTAL
Debido a que existen ciertos factores que interfieren al momento de realizar las
operaciones de troquelado, las ecuaciones utilizadas para calcular las fuerzas de
corte y doblado (ecuaciones 3 y 4) son aproximadas. Estos factores están
47
relacionados a la variación del espesor del material, fricción entre los punzones y el
material de trabajo, variación en la tolerancia de corte, condición de los bordes
afilados de la herramienta, pérdida de potencia de la prensa, entre otros (Boljanovic,
2014). Por tal motivo, el valor de la fuerza total tiene que incrementarse entre un
20% a 40%, debido a que estas variables tienen que ser consideradas al momento
de seleccionar los requerimientos de carga de la prensa.
Para este caso, se toma un factor de 30 %. Es decir, la fuerza que debe ejercer la
prensa será de:
𝐹𝑃 = 1,3𝐹𝑇 (5)
Donde 𝐹𝑃 = es la fuerza de la prensa (T); y 𝐹𝑇 = es la fuerza total.
La fuerza total se obtiene al sumar todas las fuerzas de corte y doblado calculadas.
Es decir, la fuerza total es:
𝐹𝑇 = 𝐹𝐶 + 𝐹𝐷 (6)
Reemplazando en la ecuación 6 el resultado calculado de la sumatoria de las
fuerzas de corte, tomado de la tabla 2; y el valor obtenido de la fuerza de doblado,
la fuerza total entonces es:
𝐹𝑇 = 63,9 𝑇 + 2, 9 𝑇 = 66,8 𝑇
De igual forma, reemplazando en la ecuación 5, la carga total que debe ejercer la
prensa sería de:
𝐹𝑃 = 1,3(66,8 𝑇) = 86,8 𝑇
5.4 TOLERANCIA DE CORTE
La tolerancia de corte está relacionada a la abertura que existe entre punzón y
matriz (figura 21). La tolerancia es un factor importante para el adecuado
48
funcionamiento de las operaciones de corte, la calidad en los bordes de la pieza
troquelada y la vida útil del punzón y matriz.
Figura 21. Tolerancia de corte Fuente: Boljanovic, V. (2014). Sheet Metal Forming Processes and Die Design. South Norwalk: Industrial
Press.
Una tolerancia de corte adecuada permite que la fractura del material genere un
corte limpio, lo que da un borde cortado de acabado óptimo. Con una insuficiente
tolerancia, el corte generado es deficiente y requiere mayor gasto de energía. Con
una tolerancia excesiva, el corte genera rebabas y deformaciones en la pieza de
trabajo (Semiatin, 2006). La tolerancia de corte se calcula a partir del espesor, tipo
y tratamiento del material de trabajo.
La tabla 3 presenta valores absolutos para la tolerancia de corte dependiendo del
tipo y espesor del material.
49
Aceros de bajo carbono,
cobre y latón
Aceros de medio carbono
(0,20 % - 0,30 %)
Aceros de alto carbono
(0,40 % - 0,60 %)Aluminio
0,25 0,010 0,015 0,020 0,010
0,50 0,025 0,030 0,035 0,050
1,00 0,050 0,060 0,070 0,100
1,50 0,075 0,090 0,100 0,150
2,00 0,100 0,120 0,140 0,200
2,50 0,130 0,150 0,180 0,250
3,00 0,150 0,180 0,210 0,280
3,50 0,180 0,210 0,250 0,350
4,00 0,200 0,240 0,280 0,400
4,50 0,230 0,270 0,320 0,450
4,80 0,240 0,290 0,340 0,480
5,00 0,250 0,300 0,360 0,500
Tolerancias de corte para diferentes materiales (2c )
Espesor del
material T
(mm)
Material
Tabla 3. Valores absolutos para tolerancia doble (2c) para algunos materiales Fuente: Boljanovic, V. (2014). Sheet Metal Forming Processes and Die Design. South Norwalk: Industrial
Press.
Utilizando como referencia los valores presentados en la tabla 3, tomando como
espesor de material 2,50 mm y acero de medio carbono, la tolerancia doble 2𝑐 sería
igual a 0,150 mm.
Por otra parte, es importante resaltar que el valor para la tolerancia de corte se debe
tener en cuenta al momento de modelar y definir las dimensiones de los punzones
y matrices, debido a que este valor se tiene que sumar o restar a alguno de estos
componentes dependiendo de las medidas, formas requeridas y del tipo de
operación que se realice.
Para operaciones de recortado en donde la pieza final se separa de la tira de
material, la matriz se fabrica con la abertura igual al tamaño nominal requerido, y la
medida del punzón es igual a la abertura de la matriz menos el valor doble de la
tolerancia (2𝑐). De lo contrario, en operaciones de corte donde se requiera dar una
medida interna o darla en la tira de material, el punzón se fabrica del tamaño
nominal, y la abertura de la matriz va a ser igual al tamaño del punzón más el valor
de la tolerancia doble (Boljanovic, 2014).
50
5.5 CENTRO DE PRESIÓN
Habiendo calculado las fuerzas de corte y teniendo establecido la secuencia de
corte en la tira de material, se puede calcular el centro de presión del troquel. El
centro de presión es un punto específico que define la fuerza resultante de las
operaciones de troquelado. Conocer este punto ayuda a ubicar correctamente el
troquel en la prensa y permite equilibrar las fuerzas de troquelado. La forma
matemática para calcular las coordenadas del punto de la fuerza resultante es:
�̅� =∑ 𝐹𝑖𝑥𝑖
∑ 𝐹𝑖 ; �̅� =
∑ 𝐹𝑖𝑦𝑖
∑ 𝐹𝑖 (7)
Donde 𝐹𝑖 = fuerza de los punzones; y 𝑥𝑖, 𝑦𝑖 = coordenadas del centro de gravedad
de las operaciones de troquelado (Boljanovic, 2014).
Las fuerzas de los punzones ya están calculadas y las coordenadas de los puntos
se obtiene de forma gráfica desde el modelado del despliegue de la secuencia de
operación en la tira de material, tal como se ve en la figura 22. Esta ilustración
muestra las coordenadas de las operaciones de troquelado referenciadas a un
origen, además, están resaltadas las formas de las operaciones y la ubicación
respectiva en la secuencia previamente establecida.
Figura 22. Coordenadas de las operaciones de troquelado Fuente: Del autor.
Reemplazando en la ecuación 7 las coordenadas y la fuerza de troquelado para
cada una de las operaciones del troquel, se obtiene el centro de presión para esta
51
disposición de la tira de material. En la tabla 4 están mostradas las coordenadas
tomadas con relación a la figura 22 de cada una de las operaciones, la fuerza
individual ejercida por cada punzón, una breve descripción de la operación que
realiza y los resultados del cálculo correspondiente para obtener las coordenadas
del centro de presión del troquel.
Operación Descripción xi (mm) yi (mm) Fuerza (T) Fxi (T mm) Fyi (T mm)
1 Perforación circular izquierda 142,2 19,5 2,6 372,9 51,1
2 Perforación circular derecha 244,6 19,5 2,6 641,2 51,1
3 Recorte punzón de paso 178,4 1,9 12,7 2259,0 24,1
4 Perforación rectangular derecha 337,0 19,8 9,2 3117,3 183,1
5 Perforación rectangular izquierda 429,4 20,6 10,4 4480,3 214,6
6 Recorte perfil de doblado 386,8 61,0 17,5 6756,6 1064,8
7 Doblado 580,1 60,6 2,9 1670,8 174,6
8 Recorte del puente y separación de la pieza 644,7 24,8 8,8 5678,9 218,5
Total 66,7 24977,0 1981,9
XI (mm) YI (mm)
374,2 29,7
Cálculo centro de presión
Tabla 4. Cálculo del centro de presión del troquel Fuente: Del autor.
Como resultado se obtiene que para �̅� la distancia debe ser de 374,2 mm y para �̅�
es de 29,7 mm según el origen establecido. En la figura 23 está mostrado la
ubicación en la tira de material del centro de presión calculado.
Figura 23. Ubicación en la tira de material del centro de presión Fuente: Del autor.
52
6. DISEÑO DE COMPONENTES
6.1 DISEÑO DE PUNZONES
Los punzones son las herramientas que ejercen la presión y transforman la tira de
material. La forma de estos elementos se diseña a partir de las geometrías que se
quiera dar a la tira de material. La forma de la sección transversal ya está
completamente definida por los perímetros de corte calculados en la fuerza de corte,
dado que estas dimensiones están basadas en la figura que corta cada punzón. La
única dimensión que falta por establecer es la longitud de los punzones.
6.1.1 Longitud de punzones
Los punzones, al momento de ejercer la presión a la tira de material, están
sometidos a un esfuerzo de compresión debido a la carga axial (fuerza de corte)
que están aplicando para conformar el material de trabajo (figura 24). Al sufrir
esfuerzos por compresión y ser elementos relativamente largos y esbeltos, la
longitud de los punzones puede determinarse utilizando ecuaciones de resistencia
de materiales para columnas.
En el cálculo de columnas es utilizada una ecuación para determinar la carga crítica,
esta ecuación se denomina carga de Euler. La carga crítica es el valor máximo de
fuerza que puede soportar una columna antes de deformarse permanentemente por
pandeo. El fenómeno de pandeo se produce cuando es aplicada una carga axial de
compresión a un elemento esbelto y este se flexiona lateralmente. La ecuación
general para determinar la de carga de crítica es la siguiente:
𝑃𝑐𝑟 =𝜋2𝐸𝐼𝑚𝑖𝑛
(𝑘𝐿)2
(8)
Donde 𝑃𝑐𝑟 = carga crítica (N); 𝐸 = módulo de elasticidad del material (GPa); 𝐼𝑚𝑖𝑛=
momento de inercia menor de la sección transversal (mm4); 𝑘 = factor que depende
53
de las condiciones de apoyo de la columna; y 𝐿 = longitud total de la columna (mm)
(Mott, 2006).
Los punzones siempre están fijados (empotrados) a la parte superior del troquel y
normalmente son guiados por una placa pisadora intermedia, tal y como se ve en la
figura 24. Este tipo de montaje es similar al de una columna empotrada en uno de
sus extremos y articulada en el otro. El factor de condición de apoyo para una
columna empotrada-articulada es de 𝑘 = 0.7 (Mott, 2006).
Figura 24. Condición de apoyo para punzones guiados Fuente: Boljanovic, V. (2014). Sheet Metal Forming Processes and Die Design. South Norwalk: Industrial
Press.
Ahora bien, utilizando la ecuación 8, igualando la carga critica 𝑃𝑐𝑟 por la fuerza de
corte 𝐹𝑐 de cada punzón; y reemplazando el valor de 𝑘, se puede obtener la longitud
de cada punzón despejando la longitud 𝐿 de la ecuación, es decir:
𝐿𝑚𝑎𝑥 = √2 𝜋2𝐸𝐼𝑚𝑖𝑛
𝐹𝑐 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒 𝐿 < 𝐿𝑚𝑎𝑥
(9)
Es necesario destacar que esta ecuación determina la longitud máxima de los
punzones y que cualquier valor por debajo de este dato es una dimensión aceptable.
Reemplazando los valores en la ecuación 9, tomando como ejemplo la geometría
del punzón perforador circular de 9 mm y fijando el valor del módulo de elasticidad
para el acero (210 GPa), se obtiene la longitud máxima de este punzón:
54
𝐿𝑚𝑎𝑥 = √2 𝜋2(210 𝑥 103 𝑁 𝑚𝑚2⁄ ) (
𝜋64 (9 𝑚𝑚)4)
(25,7 𝑥 103𝑁)= 227,9 𝑚𝑚
Se seleccionó el punzón circular perforador para hacer este cálculo debido a que su
área transversal y su momento de inercia son los más pequeños de todos los
punzones, es decir, es el punzón más esbelto y el más crítico. Esto significa que las
longitudes máximas de los otros punzones son mucho más grandes y no requerirían
ser calculadas. Tomando este valor como referencia, se debe seleccionar una
longitud menor a esta para cumplir con la condición establecida
Para este diseño todos los punzones de corte se van a dimensionar con la misma
longitud, una medida de 100 mm, debido a que de esta forma se garantiza que no
existan descompensaciones al momento de hacer el troquelado. La longitud del
punzón de doblado requiere que sea un poco mayor (105,2 mm) debido a la
geometría del doblez. Al tomar 100 mm se asegura que la longitud de los punzones
no sea un factor crítico porque el valor tomado es mucho menor al calculado para
el punzón más esbelto.
Los punzones normalmente son elementos que no fallan por cargas axiales. Estos
componentes se deterioran por el desgaste adhesivo debido al continuo roce entre
su superficie y el material de trabajo. También pueden fallar por la energía del
impacto al momento del troquelado o por algún desalineamiento entre
componentes.
Teniendo las variables dimensionales establecidas, el modelado de cada punzón se
hace dependiendo de la forma requerida según la operación que realiza.
6.1.2 Punzones perforadores circulares
Los dos punzones perforadores hacen un agujero de 9 mm de diámetro en la
primera estación, es decir, la medida nominal debe ser igual a este diámetro. Tienen
una cabeza de 13 mm de diámetro y 5 mm de espesor para que puedan apoyarse
55
en la placa porta-punzones y estos no tengan la posibilidad de soltarse. Se diseñan
de esta manera para que sean fáciles de fabricar, extraer y reemplazar debido a
que por su forma son los punzones más críticos de todos. La geometría de estos
punzones está mostrada en la siguiente figura:
Figura 25. Punzón perforador circular Fuente: Del autor.
6.1.3 Punzón de paso
En la misma estación se recorta una figura rectangular, esta operación da una
medida externa y genera una muesca en forma de escalón que sirve para garantizar
el paso de la tira de material utilizando un tope de apoyo. La longitud de corte del
punzón es igual al paso de la tira, esto es 128,9 mm. El ancho de corte es igual a el
valor de m establecido en la separación de la tira de material (3,8 mm). El ancho del
punzón debe ser mucho mayor al ancho de corte, fijando la medida en 11 mm, esto
con el fin de que sea más robusto y sencillo de fabricar. El cuerpo del punzón se
diseña más ancho para que tenga la superficie suficiente para albergar tres agujeros
roscados, estos agujeros permiten fijar el punzón a la parte superior del troquel en
la placa porta-punzones. La forma del punzón es la siguiente:
56
Figura 26. Punzón de paso Fuente: Del autor.
6.1.4 Punzones perforadores rectangulares
Estos punzones perforan los dos agujeros rectangulares en la pieza de trabajo en
las estaciones 2 y 3. El cuerpo de los punzones se diseña completamente
rectangular, es decir, no tienen cabeza. Cada uno tiene un agujero roscado en su
centro, lo que permite fijarlos a la parte superior del troquel. Las medidas nominales
de los punzones se fijan de acuerdo con el plano pieza del frontal del pestillo. Para
el perforador derecho son: 19,8 mm x 30,1 mm; y el perforador izquierdo son: 21,3
mm x 34,9 mm. Los punzones son los siguientes:
Figura 27. Punzones perforadores rectangulares Fuente: Del autor.
57
6.1.5 Punzón recortador del perfil exterior para doblado
En medio de las estaciones 2 y 3 se recorta el perfil externo en la pieza de trabajo.
Este perfil, en una estación siguiente requiere ser doblado, por eso es necesario
hacer el corte previamente. El punzón para esta operación de corte tiene una
geometría particular en forma de T y sus dimensiones se fijan a partir del contorno
externo que debe tener la pieza. El cuerpo del punzón no se diseña completamente
de esta forma sino solo una parte de su altura, el resto de su cuerpo es de forma
rectangular y posee tres agujeros roscados debidamente espaciados para su
fijación.
Figura 28. Punzón T recortador perfil exterior Fuente: Del autor.
6.1.6 Punzón de doblado
En la cuarta estación se hace la operación de doblado de borde. Este punzón dobla
un segmento de la pieza a un determinado radio. La longitud de este punzón debe
ser un poco mayor al resto de punzones de corte, debido a que se necesita para
hacer el doblado correctamente, su longitud es de 105,2 mm. El punzón tiene un
perfil de radio que da la forma al doblado en la pieza, este radio es igual al radio
exterior en el frontal de pestillo y es igual a 13,1 mm. El ancho del punzón es un
58
poco mayor al ancho del doblez en la pieza y su medida es de 100 mm. El cuerpo
del punzón es totalmente rectangular y posee tres agujeros roscados en la parte
superior para fijación.
Figura 29. Punzón de doblado Fuente: Del autor.
6.1.7 Punzón separador
En medio de la estación 4 y 5 se recorta el puente de la tira de material y cae la
pieza ya finalizada. El punzón para esta operación tiene una forma rectangular. El
ancho del corte del punzón es igual al puente de la tira, es decir, tiene la medida de
n = 5,5 mm tomada del despliegue de la tira de material. El punzón no puede ser
fabricado en su totalidad con el ancho del puente debido a que sería demasiado
delgado y no tendría la suficiente superficie para poder ser fijado, por tal motivo el
cuerpo se diseña mucho más robusto y se deja solo una parte con el perfil de corte.
Este punzón se fija gracias a dos agujeros roscados en su parte superior.
59
Figura 30. Punzón separador Fuente: Del autor.
Todas las geometrías, dimensiones y especificaciones de los punzones están
mostradas de forma más detallada en los planos de fabricación en los anexos al
final del documento.
6.2 DISEÑO DE MATRICES
6.2.1 Perfil de la abertura de las matrices
Las matrices son componentes que poseen una abertura que corta la tira de material
y junto con los punzones son las piezas que dan la forma a la pieza troquelada
gracias a la forma del contorno y la tolerancia entre ellos. Normalmente las matrices
se fabrican a partir de bloques de acero para herramientas, pero también pueden
fabricarse en secciones cuando el contorno de corte es demasiado complicado,
debido a que esto facilita el mecanizado.
Las matrices se les mecaniza una abertura con una forma igual al contorno de corte
de los punzones y completamente pasante. Se mecaniza esta abertura en sentido
paralelo al movimiento de los punzones hasta cierto punto y luego se hace un
desahogo para que facilite la caída del retal, tal como es representado en la figura
31.
60
Figura 31. Perfil de la abertura de la matriz Fuente: Boljanovic, V. (2014). Sheet Metal Forming Processes and Die Design. South Norwalk: Industrial
Press.
La dimensión h mostrada en la figura 31 representa la altura del filo y la vida útil de
la matriz, dado que esta es la parte que realiza el corte y se afila un determinado
número de veces durante todo el ciclo de vida de la herramienta. Este valor se
dimensiona en función del espesor del material de trabajo. Este tipo de perfil de
abertura de corte es el más común en el diseño de matrices y garantiza una buena
calidad en las piezas troqueladas, sin embargo, es el más costoso de todos.
La tabla 5 muestra los valores recomendados para la altura del filo de corte y el
ángulo de desahogo en función del espesor del material.
Espesor del material
T (mm)< 0,5 0,5 a 5,0 5,1 a 10,0
Altura h (mm) 3,0 a 5,0 5,1 a 10,0 10,1 a 15,0
Ángulo α 2° a 5°
Valores para la dimensión h en función del espesor del material
Tabla 5. Valores de la dimensión h en función del espesor del material Fuente: Boljanovic, V. (2014). Sheet Metal Forming Processes and Die Design. South Norwalk: Industrial
Press.
Para este diseño, el espesor de la tira es de 2,4 mm y se elige el valor entero más
próximo a tres veces el espesor del material de trabajo, es decir, se establece la
altura de corte h igual a 7 mm. El ángulo de desahogo se fija en 2°.
61
6.2.2 Cálculo de las dimensiones de las matrices
Una matriz para operaciones de corte es cargada a una determinada fuerza
producida por el corte a la tira de material. Alrededor del 40 % de esta fuerza se
ejerce de una manera que podría fracturar la matriz en el plano radial. Además, la
matriz es cargada adicionalmente con la fuerza de fricción producida cuando el
material cortado es empujado a través de la abertura de la matriz (Boljanovic, 2014).
El dimensionamiento de la matriz puede ser realizado utilizando ecuaciones
empíricas que calculan el espesor del bloque de la matriz y el ancho de pared. Para
el cálculo del espesor de la matriz la ecuación es la siguiente:
𝐻 = 𝑐𝑚(10 + 5𝑇 + 0.7√𝑎 + 𝑏) (10)
Donde 𝐻 = espesor de la matriz (mm); 𝑇 = espesor de la tira de material; 𝑎, 𝑏 =
dimensiones de la abertura de la matriz (mm); y 𝑐𝑚 = una constante que depende
de las propiedades mecánicas del material de trabajo (Boljanovic, 2014). En la tabla
6 se presentan algunos valores para esta constante.
El ancho de pared de la matriz se calcula con la siguiente fórmula:
𝑒 = (10 𝑎 12) + 0.8𝐻 (11)
Donde 𝑒 = ancho de pared de la matriz (Boljanovic, 2014). En la figura 32 se
muestran con mayor claridad los parámetros mencionados.
62
Figura 32. Esquema para el cálculo de las dimensiones de la matriz Fuente: Boljanovic, V. (2014). Sheet Metal Forming Processes and Die Design. South Norwalk: Industrial
Press.
Esfuerzo último a
la tensión (MPa)117 245 392 784
c m 0,6 0,8 1,0 1,3
Valores de la constante cm según las propiedades mecánicas
Tabla 6. Valores de la constante Cm según las propiedades mecánicas Fuente: Boljanovic, V. (2014). Sheet Metal Forming Processes and Die Design. South Norwalk: Industrial
Press.
Con las ecuaciones 10 y 11 se determinan todos los espesores de matriz y ancho
de pared para cada una de las siete operaciones de corte que se realizan en este
diseño. En las perforaciones circulares se utilizará la mitad del perímetro de corte y
en el recorte del perfil exterior en forma de T se aproximará las dimensiones a y b a
las medidas generales de un rectángulo del mismo tamaño.
Para mostrar como ejemplo, se va a realizar el procedimiento de cálculo del espesor
de matriz y ancho de pared para la perforación rectangular derecha de la segunda
estación del troquel.
63
Las medidas nominales de esta perforación rectangular son: 𝑎 = 19,8 mm y 𝑏 =
30,1 mm. Reemplazando los valores en la ecuación 10, tomando de la tabla 6 el
valor de la constante cm como 1 dado que el valor del esfuerzo último a la tensión
del acero AISI 1020 (420 MPa) es muy próximo al mostrado en la tabla y recordando
que el espesor de la chapa es de 2,4 mm, se obtiene que el espesor de esta matriz
sería de:
𝐻 = (1,0) (10 + 5(2,4 𝑚𝑚) + 0.7√(19,8 𝑚𝑚) + (30,1 𝑚𝑚)) = 26,9 𝑚𝑚
Ahora, reemplazando el valor obtenido en la ecuación 11, el ancho de pared para
este caso sería:
𝑒 = 10 + 0.8(26,9 𝑚𝑚) = 31, 6 𝑚𝑚
Este mismo procedimiento se sigue para las otras seis operaciones de corte. En la
tabla 7, se muestran los valores calculados para los espesores de matriz y anchos
de pared dados en milímetros. También, se da una pequeña descripción de la
operación y la dimensión correspondiente. Asimismo, se resaltan los valores
constantes que fueron utilizados para hacer cálculo.
Espesor Chapa (mm) 2,4
Constante c m 1,0
Operación Descripcióna + b (mm)
Espesor
de matriz
H (mm)
Ancho de
pared
e (mm)
1 Perforación circular izquierda 14,1 24,6 29,7
2 Perforación circular derecha 14,1 24,6 29,7
3 Recorte punzón de paso 139,9 30,3 34,2
4 Perforación rectangular derecha 49,9 26,9 31,6
5 Perforación rectangular izquierda 56,3 27,3 31,8
6 Recorte perfil de doblado 167,0 31,0 34,8
8 Recorte del puente y separación de la pieza 47,5 26,8 31,5
Cálculo de espesores de matriz y ancho de pared
Datos Fijos
Tabla 7. Resultados del cálculo de espesores de matriz y ancho de pared Fuente: Del autor.
64
Con estos resultados ya se pueden dimensionar las matrices del troquel. Hay que
destacar, que de igual manera a como se realizó en el dimensionamiento de los
punzones, todas las matrices van a tener el mismo espesor para evitar
descompensaciones, esto significa que se establece como espesor para las
matrices el valor más alto calculado en la tabla 7, es decir, 31 mm.
Por otra parte, es importante aclarar que debido a que hay operaciones de corte
muy cercanas entre sí (figura 18), no se puede diseñar una matriz individual para
cada operación y es necesario modelar estos componentes combinando los
contornos de corte en un mismo bloque. Las medidas calculadas en la tabla 7 para
el ancho de pared se van a tener en cuenta solo como referencia en el
dimensionamiento de las matrices, pero no necesariamente el diseño de estos
componentes cumplirá exactamente con estos valores porque se acomodarán las
medidas según como sea necesario para el adecuado posicionamiento y
funcionamiento de los otros elementos que conforman el troquel.
6.2.3 Matriz primera estación
La primera matriz del troquel es un bloque diseñado con unas medidas generales
de 205,5 mm x 148,5 mm. Esta matriz contiene los contornos de corte para las
operaciones de perforado circular y recorte del punzón de paso. También, la matriz
posee cuatro agujeros abocardados para alojar los tornillos de cabeza cilíndrica tipo
Allen que sirven para fijación y dos agujeros para pasadores de posicionamiento
debidamente espaciados. En el bloque hay una tercera abertura de igual forma a la
realizada para las perforaciones circulares que sirve como agujero de pilotaje. Sobre
este componente se montan parte de las reglas guía, por eso posee adicionalmente
dos agujeros roscados y dos agujeros para pasadores. Además, cerca de la
abertura del punzón de paso, están los agujeros para posicionar y fijar el tope fijo.
65
Figura 33. Matriz primera estación Fuente: Del autor.
6.2.4 Matriz segunda y tercera estación
Esta matriz es un bloque con unas medidas generales de 234 mm x 150 mm. En la
matriz están diseñadas las aberturas para las dos perforaciones rectangulares y
para el recorte del contorno exterior para doblado en forma de T. Asimismo, posee
otras tres aberturas circulares que son utilizadas como agujeros de pilotaje. Esta
matriz se diseña con los cuatro agujeros abocardados para tornillos Allen y dos
agujeros para pasadores.
Figura 34. Matriz segunda y tercera estación Fuente: Del autor.
6.2.5 Matriz de doblado y última estación
Esta es la última matriz, es un bloque con unas medidas generales de 168,5 mm x
105 mm. En este componente se modela en uno de sus costados el perfil de doblado
66
con una medida igual al radio interno del frontal de pestillo. También, posee el
contorno para el recorte del puente de la pieza y otras dos aberturas para agujeros
de pilotaje. De similar forma a las matrices anteriores, posee los cuatro agujeros
abocardados y los dos agujeros para pasadores.
Figura 35. Matriz de doblado y estación final Fuente: Del autor.
6.3 DISEÑO DE LA PLACA EXPULSORA
La placa expulsora o pisadora es un componente que cumple la función de separar
la tira de material adherida a la periferia de los punzones en el momento del corte.
Existen dos métodos para diseñar estos componentes, el primero y menos costoso,
es montar una placa sólida sobre la matriz, esta placa se fija con tornillos y
pasadores, y permite ser utilizada como guía a la tira de material a través de la
matriz y guía a los punzones en el momento del corte. Un ejemplo de este diseño
es mostrado en la figura 36.
67
Figura 36. Método aplicando una placa fija Fuente: Paquin, J. (2006). Die Design Fundamentals. New York: Industrial Press.
El otro método es utilizar una placa elástica flotante. Esta placa elástica usa un
número determinado de resortes de compresión los cuales son lo que ejercen la
fuerza de expulsión, es sostenida por tornillos limitadores desde la base superior y
también la placa sirve como guía para los punzones. Este método es mucho más
costoso, pero ofrece grandes ventajas en cuestión de calidad en las piezas y mayor
productividad.
Por ejemplo, cuando se requiere piezas de mayor exactitud y perfectamente planas,
los resortes ayudan a aplanar la tira antes del corte; ayuda a evitar el corte desigual
en materiales delgados; proporciona al operario mayor visibilidad para el
posicionamiento correcto de la tira; permiten una mayor alimentación y aumento de
producción (Paquin, 2006). Un montaje típico de este método es mostrado en la
figura 37. Para este diseño se utilizará este método.
Figura 37. Método aplicando una placa elástica Fuente: Paquin, J. (2006). Die Design Fundamentals. New York: Industrial Press.
68
6.3.1 Cálculo de la fuerza de separación
Cuando los punzones se abren paso a través de la tira, el material se contrae
alrededor del punzón hasta el punto en que se necesita una fuerza sustancial para
extraer el punzón del material.
La fuerza requerida para retirar el material adherido al punzón se calcula con la
siguiente ecuación:
𝐹𝑆 = 𝐶𝑆𝐹𝑇 (12)
Donde 𝐹𝑆 = fuerza de separación; 𝐶𝑆 = constante de separación; 𝐹𝑇 = fuerza total
ejercida por los punzones (Boljanovic, 2014).
Perforado o
recortado simple
Perforado o
recortado
compuesto
Perforado y
recortado al
mismo tiempo
Menor a 1,0 0,02 a 0,06 0,06 a 0,08 0,10 a 0,12
1,0 a 5,0 0,06 a 0,08 0,10 a 0,12 0,12 a 0,15
Mayor a 5,0 0,08 a 0,10 0,12 a 0,15 0,15 a 0,20
Tipos de procesos de trabajo
Valores de la constante de separación Cs
Espesor del
material T (mm)
Tabla 8. Valores de la constante de separación Cs Fuente: Boljanovic, V. (2014). Sheet Metal Forming Processes and Die Design. South Norwalk: Industrial
Press.
La constante de separación se selecciona con base a la información mostrada en la
tabla 8. Como este troquel hace operaciones de recortado y perforado al mismo
tiempo en varias de sus estaciones y sabiendo que el espesor de la lámina es de
2,4 mm, se escoge el valor de la constante de separación igual a 0,13. La fuerza
total ya ha sido calculada, ya que es la sumatoria de las fuerzas de corte y doblado
(66,8 T). Reemplazando en la ecuación 12, se obtiene que la fuerza de separación
es:
𝐹𝑆 = (0,13)(66,8 𝑇) = 8,7 𝑇
Esta es la fuerza que deben ejercer los resortes para separar la tira de material. Se
tiene que seleccionar la cantidad y el tipo de resorte más adecuado para realizar
69
esta fuerza. Este procedimiento es iterativo, debido a que la selección de los
resortes depende del tipo, material, cantidad, diámetro y longitud de este.
El tipo de resorte seleccionado para esta aplicación es un resorte de compresión
DIN ISO 10243 para carga extrapesada (color de referencia amarillo) de diámetro
nominal 50 mm (2 in), longitud libre de 127 mm (5 in) y constante elástica de 316
N/mm. La cantidad de resortes necesaria para satisfacer la fuerza de expulsión es
12 a una deformación de 22,5 mm.
Para lograr que estos componentes funcionen adecuadamente, se diseñan los
alojamientos respectivos para cada uno de los resortes en la placa expulsora y en
la base superior, también se tienen que distribuir de una determinada forma para
que el centro de esfuerzos de los resortes coincida con el centro de presión del
troquel, además, se deben implementar tornillos limitadores para restringir la carrera
del pisador y delimitar la deformación de los resortes.
6.3.2 Placa expulsora
La placa expulsora es un bloque de acero para máquinas con unas dimensiones
generales de 25 mm x 430 mm x 684 mm. Posee las aberturas correspondientes
para los punzones y lo pilotos, ya que estos componentes deben atravesar esta
placa para realizar el corte. Esta placa es guiada por las cuatro columnas del troquel
y posee los agujeros para los casquillos correspondientes en sus extremos.
También, tiene 12 alojamientos para los respectivos resortes de 50 mm de diámetro
y ocho agujeros roscados para los tornillos limitadores. Bajo esta placa se montan
las guías pisadoras. El diseño general de esta placa es mostrado en la figura 38.
70
Figura 38. Placa expulsora Fuente: Del autor.
6.3.3 Guías pisadoras
Las guías pisadoras son un complemento de la placa expulsora en este diseño.
Estos elementos son los que entran en contacto directo con la tira de material,
presionándola en el momento de corte y separándola de la periferia de los punzones
luego de este. Son tres componentes que van montados por debajo de la placa
expulsora fijadas con tornillos Allen y posicionadas con pasadores, además están
alineadas con respecto al centro del troquel. Cada una posee las respectivas
aberturas para los punzones y pilotos junto con los correspondientes agujeros para
los elementos de fijación. Una de estas guías tiene unos contornos a escuadra en
sus costados, eso se hace con el fin de evitar el choque con las reglas al momento
de pisar la tira de material en el instante del corte. El diseño de las tres guías es
mostrado en la figura 39.
71
Figura 39. Guías pisadoras Fuente: Del autor.
6.4 DISEÑO DE OTROS COMPONENTES
6.4.1 Placas porta-punzones
Las placas porta-punzones retienen y soportan los punzones y los pilotos del
troquel. Normalmente se fabrican de acero para máquinas, pero también pueden
fabricarse de acero para herramientas. Su espesor debe ser el adecuado para
soportar los punzones y se selecciona en función de la longitud de estos.
Normalmente el espesor de estas placas es de 25% la longitud de los punzones
(Suchy, 2006), es decir, las placas de este diseño tienen un espesor de 25 mm.
Las placas porta-punzones tiene las aberturas correspondientes con un ajuste
adecuado para que se sostengan los punzones y los pilotos, estos alojamientos
tienen una forma igual al contorno del cuerpo o cabeza de cada uno de estos
componentes según corresponda. Se diseñan tres placas para este troquel, cada
una dimensionada en función del posicionamiento, tamaño de los punzones y
alineamiento con las matrices. Cada una de las placas se fijan por debajo de la base
superior por medio de cuatro tornillos Allen y posicionadas con dos pasadores. Las
tres placas están mostradas en la figura 40, en donde se ve en vista isométrica el
diseño general y el posicionamiento en de cada una.
72
Figura 40. Placas porta-punzones Fuente: Del autor.
6.4.2 Placas sufrideras
Las placas sufrideras se ubican sobre las placas porta-punzones. Estos elementos
cumplen la función de soportar la presión de los punzones durante el corte, evitando
que penetren en la base superior. Se fabrican de acero para máquinas o acero para
herramientas templado. Deben poseer un adecuada dureza y resistencia al impacto
para soportar las cargas de compresión provenientes de los punzones. Para
trabajos generales el espesor de estas placas debe ser de 3/8 in (9,5 mm), y para
trabajos muy pesados 1/2 in (12,5 mm) (Suchy, 2006).
En este troquel hay tres placas sufrideras diseñadas de 10 mm de espesor y sus
medidas generales son iguales a las placas porta-punzones. Están ubicadas y
fijadas en medio de las placas porta-punzones y la base superior. El diseño general
de estos componentes es el siguiente:
73
Figura 41. Placas sufrideras Fuente: Del autor.
6.4.3 Pilotos centradores
Los pilotos son muy similares a los punzones perforadores circulares, con la única
diferencia en que su extremo es liso y redondeado. Los pilotos se utilizan en
troqueles progresivos y compuestos para posicionar la tira de trabajo de modo que
se puedan mantener las relaciones entre las estaciones, los agujeros previamente
perforados y los contornos externos de las piezas de trabajo (Boljanovic, 2014).
Los pilotos son siempre mucho más largos que los punzones para asegurar el
contacto con la tira antes de que ocurra cualquier corte. El diámetro de los pilotos
puede ser 0.08 mm más pequeño que el diámetro de los punzones perforadores
(Suchy, 2006).
En este diseño, se implementan seis pilotos centradores. Su geometría es igual a
los punzones perforadores, poseen una cabeza de 13 mm de diámetro y 5 mm de
espesor, tienen una longitud total de 116,5 mm y un diámetro de 8,92 mm.
74
Figura 42. Piloto centrador Fuente: Del autor.
6.4.4 Reglas guía
Las reglas son utilizadas para guiar la tira de material a través del troquel.
En este diseño se implementan dos reglas, una de 168 mm y otra de 270 mm de
longitud. Las reglas tienen unas dimensiones de 25 mm de ancho y 18 mm de
espesor. Poseen una ranura cuadrada de 3 mm a lo largo de toda su longitud,
porque esta es por donde se guía la tira de material. Las reglas están separadas
una distancia de 64 mm. En el diseño se utilizan dos componentes auxiliares, una
placa delgada que sirve como sostén para asentar la tira de material antes de que
entre al troquel; y una placa de apoyo montada por debajo de las reglas y sobre la
base inferior que sirve para fijar y posicionar las guías a la altura de la matriz. Las
reglas están fijadas con tornillos y pasadores, ya que deben de garantizar el correcto
posicionamiento y exactitud del desplazamiento de la tira de material. El montaje de
estos elementos es mostrado en la siguiente:
75
Figura 43. Reglas guía y componentes auxiliares Fuente: Del autor.
6.4.5 Casquillos y columnas
Estos elementos se utilizan para mantener el alineamiento entre el conjunto superior
e inferior del troquel y son elementos que deben tener buena resistencia al desgaste
debido al continuo rozamiento entre ellos.
Para este diseño se utilizan cuatro columnas de 40 mm de diámetro y 220 mm de
largo, están fijadas en la base inferior por medio de anillos de retención y deben de
tener un ajuste forzado adecuado.
Los casquillos están montados en la base superior y en la placa expulsora. Los
casquillos de la base superior tienen una longitud de 75 mm y los casquillos para la
placa pisadora es de 40 mm. Ambos grupos de casquillos tienen un escalón para
asentarse sobre las placas y una ranura a sus costados para unas abrazaderas de
seguridad (grapas). Los casquillos se introducen a las placas y deben de tener un
ajuste forzado. El diseño y montaje de estos elementos es mostrado en la siguiente
figura:
76
Figura 44. Casquillos y columna Fuente: Del autor.
6.4.6 Placas base superior e inferior
Las bases son elementos estructurales del troquel, albergan las herramientas y los
otros componentes. Se utilizan para montar el troquel al cabezal y la mesa de la
prensa. Normalmente se fabrican de acero estructural.
La placa base superior alberga los punzones, pilotos, placas porta-punzones, placas
sufrideras, casquillos, resortes, tornillos limitadores y los otros elementos de unión.
Tiene cada uno de los agujeros para montar y fijar estos componentes. Posee unos
alojamientos a sus costados para ser utilizados para fijar con tornillos y bridas al
cabezal de la prensa. Es un bloque de 45 mm x 430 mm x 684 mm.
Figura 45. Placa base superior Fuente: Del autor.
77
La placa base inferior alberga las matrices, reglas guía, columnas y los elementos
de unión correspondientes. Esta placa debe tener las aberturas por donde pasa el
retal de cada una de las operaciones de corte y todos los agujeros para montar y
fijar los componentes. Asimismo, posee unos alojamientos a sus costados para ser
utilizados como fijación a la mesa de la prensa por medio de tornillos y bridas. Sus
dimensiones son iguales a las de la base superior, excepto el espesor, en este caso
la su medida es de 50 mm. Debajo de esta placa se fijan cuatro paralelas, estos
elementos sirven para aumentar la altura del troquel y facilitan retirar el retal de la
mesa de la prensa.
Figura 46. Placa base inferior y paralelas Fuente: Del autor.
6.5 ENSAMBLES
Este troquel está compuesto por tres subensambles, el ensamble superior donde
se montan los punzones, placas porta-punzones, sufrideras, pilotos, base superior,
casquillos y elementos de unión; el ensamble de la parte media que incluye la placa
expulsora, resortes, guías pisadoras, tornillos limitadores, casquillos y los
respectivos elementos de unión y posicionamiento; y el ensamble inferior donde
están las matrices, reglas, base inferior, paralelas, columnas y elementos de unión.
Para mostrar en mayor detalle los ensambles y la ubicación de las piezas descritas
78
dentro del modelado, en la siguiente figura se presenta los tres subensambles del
troquel.
Figura 47. Subensambles troquel progresivo Fuente: Del autor.
79
7. ANÁLISIS FUNCIONAL
El modelado del troquel ha sido realizado en el programa SolidWorks. Para el diseño
de los componentes del troquel se ha trabajado por medio de relaciones
paramétricas, debido a que esto permite relacionar los croquis y operaciones entre
componentes, generar restricciones, y delimitar las dimensiones y posiciones de los
elementos para que haya una correcta interacción entre ellos. Estas relaciones
paramétricas son muy útiles en los casos donde se deba conservar una misma
geometría en varias piezas del modelado, por ejemplo, como lo es la forma de las
aberturas de las matrices y los diferentes cortes que dependen de la geometría y
posición de los punzones. También, relacionar operaciones de modelado entre
componentes facilita el diseño y las posibles correcciones que sean necesarias de
realizar durante el diseño de las piezas.
La correcta ubicación, formas, dimensiones e interacción de componentes es
realizada desde el modelado y se verifican por medio de un complemento que posee
el programa el cual sirve para simular el movimiento del troquel y detectar las
posibles interferencias que pueden presentarse durante el funcionamiento de este.
7.1 SIMULACIÓN DE HERRAMIENTA
El programa cuenta con la posibilidad de simular el movimiento del troquel y la
progresión de la chapa mientras se visualizan la interacción entre componentes.
Permite ver la interacción entre la lámina, punzones y matrices durante las
operaciones de corte y doblado, dado que se puede visualizar el paso a paso del
proceso de transformación de la chapa a través del troquel en cada una de las
estaciones hasta conformar la pieza final. Esta simulación es muy útil para definir la
forma de los cortes, porque muestra cómo queda la pieza final después del proceso,
esto significa que, por ejemplo, en el caso que faltará alguna operación, se mostraría
en el resultado final de la pieza.
80
Con base en lo anterior, la progresión de la chapa se muestra en dos imágenes en
la figura 48, donde se puede visualizar el antes y después del proceso de corte de
la lámina metálica en el troquel progresivo. Se ha ocultado la parte media para ver
mejor la imagen.
Figura 48. Antes y después de la secuencia de troquelado Fuente: Del autor.
7.2 DETECCIÓN DINÁMICA DE INTERFERENCIAS
La otra función es la detección dinámica de interferencias. Este complemento
trabaja en conjunto con el módulo de simulación de herramienta, debido a que
81
mientras se hace la simulación del troquel, el programa detecta los choques e
interferencias que se producen en una determinada configuración del troquel. Esta
función es muy útil para dimensionar y modelar los componentes del troquel, puesto
que muestra la detección de choques de los componentes que están interactuando
en el momento de la simulación de movimiento en la interfaz gráfica del programa,
lo que permite corregir el modelado y las dimensiones de estos elementos para
evitar interacciones y choques no deseados.
Un ejemplo de cómo funciona la detección dinámica de interferencias es mostrado
en la figura 49. En la imagen está presentado un análisis que se realizó mientras se
modelaba el troquel, en esta aparece la lista de interferencias que ocurrían en ese
instante con la respectiva ubicación en el modelado del troquel. Por ejemplo, es este
caso ocurren choques entre las reglas y las guías pisadoras; y entre una regla y un
punzón. La imagen muestra una sección de los componentes resaltada en color rojo
que indica en dónde ocurre la interferencia.
82
Figura 49. Detección dinámica de interferencias Fuente: Del autor.
La animación de herramienta y la detección dinámica de interferencias son
complementos que han sido utilizados simultáneamente para modelar todos los
componentes del troquel. Con estas herramientas se garantiza, al menos desde el
diseño, la adecuada ubicación de componentes, dimensiones correctas y la
apropiada interacción entre elementos.
83
8. SELECCIÓN DE MATERIALES
8.1 ACERO PARA PUNZONES Y MATRICES
Normalmente el tipo de material que se utiliza para fabricar punzones y matrices es
el acero para herramientas, especialmente enfocado para trabajos en frio.
La selección del acero depende del tipo de material de trabajo, el espesor de la
lámina, la geometría de la pieza a fabricar, la dureza de suministro y la cantidad de
piezas a fabricar (Semiatin, 2006). Estos factores ayudan a definir las propiedades
mecánicas y las características requeridas del acero para herramientas. Las
propiedades mecánicas esenciales para tener en cuenta son la dureza, resistencia
al desgaste y tenacidad.
8.1.1 Dureza y resistencia al desgaste
La vida útil de la herramienta está relacionada con la resistencia al desgaste de
esta. La resistencia al desgaste depende de la dureza del acero. Los aceros para
trabajo en frio están sometidos a varios tipos de desgaste, los más comunes son el
desgaste abrasivo, desgaste adhesivo y desgaste por fatiga superficial (Mesquita,
2017). El tipo de desgaste el cual está sometido una herramienta de troquelado
depende principalmente del tipo de material de trabajo.
El desgaste abrasivo se presenta cuando el material de trabajo es duro y/o contiene
partículas duras como óxidos o carburos. Estas partículas duras erosionan la
superficie de la herramienta. El acero para obtener una buena resistencia al
desgaste abrasivo debe de tener una alta dureza (Mesquita, 2017).
El desgaste adhesivo se genera por la aparición de microsoldaduras locales entre
la superficie de la herramienta y el material de trabajo. Esta adherencia ocasiona un
desprendimiento de pequeños fragmentos de material en la superficie de la
84
herramienta. El acero para obtener una buena resistencia al desgaste adhesivo
debe tener alta dureza y también una alta ductilidad (Mesquita, 2017).
La fatiga superficial se presenta debido a que pequeñas grietas se inician en la
superficie de trabajo de la herramienta y el crecimiento de éstas resultan finalmente
en el desprendimiento de trozos de material. Esto se produce debido a los esfuerzos
cíclicos que sufre la herramienta. La propiedad que debe poseer el acero para
herramientas para este tipo de desgaste es una alta ductilidad (Mesquita, 2017).
8.1.2 Tenacidad
En operaciones de corte y doblado los aceros deben de tener cierta tenacidad. Los
requerimientos de tenacidad aumentan a medida que el espesor de la lámina sea
mayor. Al cortar una chapa gruesa, las esquinas de la herramienta están sometidas
a una presión superficial muy alta, lo que conlleva a que se generan melladuras y
rotura de la herramienta.
La rotura es un tipo de fallo que se da por la propagación de grietas de forma
inestable. Estas grietas están influenciadas por diferentes factores, por ejemplo, la
presencia de concentradores de esfuerzos, el tipo de proceso de mecanizado
realizado y las características de diseño. El acero para ser resistente a la rotura
debe contar con una alta tenacidad y baja dureza (Mesquita, 2017).
8.1.3 Selección del acero
Las propiedades anteriormente mencionadas son opuestas entre sí, debido a que,
si se incrementa la dureza y la resistencia al desgaste, el material normalmente
pierde tenacidad. Por tal motivo, para seleccionar el acero para herramientas se
tiene que lograr un equilibrio de estas propiedades. La selección se va a realizar
dependiendo las características de la pieza de trabajo y las recomendaciones dadas
por los autores y proveedores de acero para herramientas. Las características de la
pieza son las siguientes:
85
• El material de trabajo es AISI 1020 laminado en frio, el material posee una
resistencia última a la tensión 420 MPa.
• Espesor de chapa: 2,4 mm
• Cantidad de piezas: 100 000 piezas/mes (Producción media).
• La geometría de la pieza y de las operaciones se considera simple.
En la tabla 9 están mostrados los aceros para herramientas recomendados para
geometrías de corte sencillas y piezas de tamaño medio. Además, hace una
clasificación de aceros según el tipo de material de trabajo y la cantidad de piezas
a producir.
1000 10.000 100.000 1.000.000 10.000.000
Pieza 1 y similares 75 mm (3 in)
Aleaciones de aluminio, cobre o magnesio O1, A2 O1, A2 O1, A2 D2, CPM 10V Carburo de tungsteno
Aceros al carbono y aleados hasta 0.7% C,
y acero inoxidable ferríticoO1, A2 O1, A2 O1, A2 D2, CPM 10V Carburo de tungsteno
Acero inoxidable austenítico O1, A2 O1, A2 A2, D2 D4, CPM 10V Carburo de tungsteno
Acero para resortes y acero endurecido
(52 HRC Máx)A2 A2,D2 D2 D4, CPM 10V Carburo de tungsteno
Materiales típicos para punzones y matrices de corte
Material para herramientas según la cantidad de producciónMaterial de trabajo
Tabla 9. Materiales típicos para punzones y matrices de corte Fuente: Semiatin, S. (2006). ASM Handbook Volume 14B Metalworking: Sheet Forming. United States of
America: ASM International.
Con base en la tabla 9 y en las características de la pieza de trabajo, los aceros
para herramientas sugeridos para un acero al carbono como material de trabajo y
una producción de 100 000 son los aceros AISI O1 y AISI A2. Sin embargo, como
la cantidad de piezas a fabricar es un valor estimado, se prefiere optar por elegir
entre los aceros recomendados para una producción de un millón de piezas, es
decir, el acero AISI D2 o el CPM 10V.
86
Según datos recomendados por una empresa proveedora de aceros (BÖHLER),
para cortar lámina de acero, aleación de aluminio o cobre con una resistencia última
a la tensión de hasta 600 MPa, y un espesor de chapa menor a 3 mm, se sugiere el
acero K110 (AISI D2) con una dureza de trabajo entre 60 - 62 HRC (anexo 39).
El acero AISI D2 es un acero para herramientas de alta aleación especialmente apto
para temple al aire. Este acero es adecuado para producciones medias a largas, ya
que posee una elevada resistencia al desgaste. Es un material un poco difícil de
mecanizar y rectificar debido al elevado contenido de cromo combinado con el
mayor rango de carbono. Es un acero muy frecuentemente utilizado en
herramientas de trabajo en frio (Bryson, 2009). Este es el acero para herramientas
elegido para fabricar los punzones y matrices de este troquel progresivo.
8.2 SELECCIÓN DE MATERIALES PARA LOS OTROS COMPONENTES
La selección de materiales para los otros componentes del troquel no se realizará
de forma tan detallada a como se hizo con los punzones y matrices, y simplemente
se van a seguir las recomendaciones de los autores especializados en el diseño de
troqueles.
• Sufrideras
Las placas sufrideras deben estar hechas de acero AISI A2 endurecido entre 40 -
50 HRC. Se debe evitar el acero templado al aceite, ya que el tratamiento térmico
causa una mayor deformación en ella, que a su vez produce inconsistencias en la
planitud de la placa. Cuando la placa de respaldo es demasiado dura, se pueden
desarrollar vibraciones en respuesta a la función de la prensa, arruinando el punzón
con el tiempo (Suchy, 2006).
• Placas porta-punzones
Las placas porta-punzones se fabrican normalmente de acero para máquinas. El
acero AISI 4140 endurecido entre 30 - 40 HRC es el recomendado a utilizar
(Semiatin, 2006).
87
• Guías pisadoras
Las placas separadoras endurecidas para producciones altas donde se utiliza acero
D2, D4 o CPM 10V, están hechas de acero O1 o A2 templado a 50 - 54 HRC
(Semiatin, 2006). El acero AISI O1 es el elegido como material para estos
componentes.
• Placa expulsora
La placa expulsora es un elemento con una característica funcional importante en
este troquel, sin embargo, son las guías pisadoras las que ejercen la presión en la
tira de material, por tal motivo, este elemento se fabricará de acero AISI 4140
bonificado a 28 - 30 HRC.
• Pilotos
Los pilotos deben estar hechos de un buen acero grado de herramienta. Acero
tratado térmicamente a 57 - 60 HRC para máxima dureza y tenacidad (Paquin,
2006). Los pilotos en este diseño se fabricarán en el mismo material de los
punzones, es decir, AISI D2.
• Placas base superior e inferior
Las placas base son elementos que se fabrican con acero estructural. El acero AISI
1045 normalizado es el seleccionado para estos componentes.
• Reglas guía
Para producciones altas, las reglas se deben fabricar de acero para herramientas
(Paquin, 2006). El acero para herramientas AISI O1 es un material para propósitos
generales y es adecuado para esta aplicación. La dureza de trabajo seleccionada
para este caso es de 56 - 58 HRC.
• Casquillos
Los casquillos y columnas deben ser fabricados de materiales resistentes al
desgaste por los que es adecuado que posean una elevada dureza y estén
fabricados con materiales endurecidos (Semiatin, 2006). El material para los
88
casquillos se selecciona el acero AISI 8620 para cementación a una dureza entre
60 - 62 HRC.
• Columnas
El material seleccionado para las columnas es el acero AISI 4140 templado a una
dureza entre 54 - 56 HRC.
Todas las características relacionadas a los materiales para cada una de las piezas
están especificadas en los planos de fabricación mostrados como anexos al final
del documento.
89
9. COSTOS DEL TROQUEL
9.1 COSTOS DE FABRICACIÓN
Para realizar la estimación de los costos de fabricación se ha enfocado en clasificar
los aspectos económicos que más influyen en la fabricación de los componentes
del troquel. Estos aspectos son los materiales, mecanizado y tratamientos térmicos.
La información para realizar la estimación del costo de fabricación se ha obtenido
gracias a la colaboración de empresas especializadas en cada sector.
9.1.1 Materiales
Los aceros se han cotizado en dos empresas (Axxecol S.A. y Compañía General de
Aceros S.A.). Las empresas han suministrado una lista de los precios por kilogramo
para las dimensiones y características de la mayoría de los aceros seleccionados
para fabricar este troquel. Se les ha proporcionado una lista de materiales con el
tipo de acero, las condiciones de suministro, peso teórico y las dimensiones en bruto
para facilitar la cotización. Las cotizaciones de los materiales respectivas de cada
empresa están mostradas como los anexos 41 y 42.
La tabla 10 muestra el precio por kilogramo de los materiales seleccionados para
fabricar el troquel. Estos valores han sido obtenidos con base a la lista de precios
suministrada por las empresas.
90
Empresa General de aceros Axxecol
Material
AISI D2 $ 28.000 $ 38.000
AISI A2 $ 23.000 $ 32.000
AISI O1 $ 14.400 $ 32.000
AISI 4140 $ 7.350 $ 9.300
AISI 1045 $ 4.875 $ 8.300
AISI 8620 $ 7.712 $ 9.300
Valor por kilogramo materiales troquel (COP/kg)
Tabla 10. Valor por kilogramo de los materiales del troquel progresivo
Fuente: CGA S.A. y Axxecol S.A.
En términos generales, el costo de los materiales cotizados por parte de la
Compañía General de Aceros, incluyendo el costo del IVA, da un valor total de $
5.595.777 COP. Esta empresa, en la información suministrada, propone otros
materiales para el caso del AISI O1, AISI 4140 en placas y el acero AISI D2 para
las matrices, y están incluidos en el valor total de la cotización.
De igual manera, en la cotización de la empresa Axxecol, incluyendo el IVA, da un
valor total de $ 5.764.650 COP. Sin embargo, esta empresa no cotiza todos los
materiales solicitados debido a que no proveen algunas referencias, tal es el caso
del acero AISI 4140 que no lo venden en placas, sino únicamente en barras
redondas.
Con base al listado de precios de la tabla 10 y eligiendo a la Compañía General de
Aceros como proveedor, se ha estimado el costo de los materiales faltantes en la
cotización. El costo total da como resultado un valor de $ 5.948.624 COP.
9.1.2 Mecanizado
La cotización del mecanizado se ha realizado de manera informal en la empresa
SETEMI LTDA. Se les ha suministrado los planos de fabricación para que realicen
la cotización del costo de fabricación con base a los requerimientos de cada pieza
y seleccionen la máquina-herramienta más adecuada para fabricar cada
91
componente. Además, que se estime según su experiencia, el tiempo de
mecanizado necesario para fabricar cada pieza.
La empresa maneja los siguientes precios para el costo hora-máquina:
Máquina Valor hora (COP)
Torno CNC $ 40.000
Fresadora CNC $ 43.000
Electroerosionadora $ 40.000
Rectificadora $ 10.000
Tabla 11. Costo hora-máquina Fuente: SETEMI LTDA.
Con el tiempo aproximado de fabricación para cada pieza, las máquinas requeridas
para su fabricación y con la tabla de precios, se ha realizado la cotización. De forma
general, el costo de mecanizado total para fabricar todos los componentes del
troquel, incluyendo el impuesto por valor añadido, es $ 15.009.470 COP.
9.1.3 Tratamientos térmicos
Para el caso de los tratamientos térmicos, se ha solicitado a las empresas
Tratamientos Ferrotérmicos S.A.S y Tratar S.A.S un listado actual de precios por
kilogramo para el temple y cementación de diferentes materiales. El listado de
precios ofertados por ambas empresas el siguiente:
Acero Proceso Ferrotérmicos Tratar
D2 Temple $ 17.700 $ 19.697
A2, O1, 4140 Temple $ 14.450 $ 19.697
8620 Cementación $ 9.550 $ 9.222
Valor por kilogramo tratamientos térmicos (COP/kg)
Empresa
Tabla 12. Precios tratamientos térmicos Fuente: Tratamientos Ferrotérmicos S.A.S y Tratar S.A.S.
92
Con esta información, se puede hacer un estimado del precio total de los
tratamientos térmicos para las piezas que lo necesitan, puesto que el peso teórico
se puede obtener multiplicando el volumen de la pieza por la densidad de cada
acero. El resultado del costo estimado para los tratamientos térmicos, estableciendo
como proveedor a la empresa Tratamientos Ferrotérmicos, es $ 1.481.390 COP
(incluido el IVA).
9.1.4 Costo total
El costo total de fabricación se obtiene al sumar los costos de materiales,
mecanizado y tratamientos térmicos. El costo total es $ 22.439.484 COP.
El anexo 46 es una tabla donde están mostrados los costos de fabricación para
cada pieza. Se especifican todas las piezas, materiales, tratamientos y costos de
fabricación. Los valores totales se han calculado a partir de esta tabla y son los que
se han mostrado en esta sección del documento.
Los elementos normalizados no se han tenido en cuenta en la realización del costo
de fabricación, porque son piezas que no representan un costo tan relevante y la
empresa cuenta con un almacén para estos.
9.2 COSTO DE DISEÑO
El costo de diseño se va a estimar con base a las sugerencias dadas por el Manual
de Referencia de Tarifas en Ingeniería.
La tabla 13 presenta unas tarifas sugeridas para el costo de diseño en ingeniería.
Estas tarifas aplican para la contratación de ingenieros independientes (personas
naturales). La tabla cataloga los diseños de ingeniería en tres aspectos: ingeniería
conceptual, básica y de detalle. Además, presenta algunos porcentajes que se
clasifican en varias categorías y estas dependen de la complejidad del proyecto
según algunos criterios, por ejemplo, como la cantidad de trabajo, el nivel de
93
conocimiento y la utilización de elementos y partes técnicas que demande su
elaboración. Los porcentajes mostrados están basados en el costo directo del
proyecto según la especialidad específica de ingeniería (ACIEM, 2015).
Categoría 1 Categoría 2 Categoría 3 Categoría 4 Categoría 5
DISEÑOS DE INGENIERÍA
Ingeniería conceptual 2,00% 2,25% 2,50% 2,75% 3,00%
Ingeniería básica 4,00% 4,25% 4,50% 4,75% 5,00%
Ingeniería de detalle 4,00% 4,50% 5,00% 5,50% 6,00%
TOTAL 10,00% 11,00% 12,00% 13,00% 14,00%
Tabla de tarifas para servicios profesionales de ingeniería
Categoría de la obra
Tabla 13. Tabla de tarifas de servicios de ingeniería Fuente: ACIEM. (2015). Manual de Referencia de Tarifas en Ingeniería. Bogotá D.C: ACIEM Cundinamarca.
Para este caso en particular, y con base a la información presentada en la tabla 13,
el proceso de diseño del troquel cumple con las tres características mostradas en la
columna de diseño de ingeniería, debido a que se realizaron las etapas de ingeniería
conceptual, básica y de detalle.
La categoría en la que entra el diseño del troquel, según la clasificación del manual,
para instalaciones metalmecánicas donde abarca proyectos de fábricas medianas
metalmecánicas para proceso de trabajo plástico de metales, tratamientos térmicos,
maquínanos, fundición, soldadura, es la categoría tres (ACIEM, 2015).
El costo del proyecto, en este caso, se asume como el costo de fabricación del
troquel. El costo de diseño del troquel progresivo se calcula según el porcentaje total
de la categoría tres, esto es, 12 %. Es decir, multiplicando el porcentaje
correspondiente por el valor del costo de fabricación, se obtiene que el costo de
diseño es de $ 2.692.738 COP.
94
10. CONCLUSIONES
• Diseñar el troquel fue una tarea secuencial que inició desde la geometría y
material de la pieza, y el planteamiento de la tira de material. Junto con el
desarrollo de la tira de material se estableció la secuencia de operaciones. El
desarrollo de la tira es una labor que necesita de mucha experiencia y tiene que
hacerse con mucho cuidado, debido a que de esta depende el correcto
funcionamiento y el diseño de los principales componentes que conforman el
troquel. Este planteamiento fue realizado buscando encontrar la disposición
óptima, es decir, donde se desperdicie la menor cantidad de material, puesto
que economizar el material de trabajo es el principal criterio para evaluar cuando
se trata de costos de producción de un troquel progresivo.
• Todo el modelado se elaboró cuidadosamente siguiendo recomendaciones de
los autores especializados en diseño de troqueles. Fue realizada una búsqueda
minuciosa de bibliografía enfocada al diseño de troqueles para centrar el
desarrollo de la herramienta utilizando criterios de ingeniería especializados. En
el diseño se implementaron diferentes cálculos que permitieron fijar parámetros
dimensionales y establecer los requerimientos técnicos para el funcionamiento
del troquel. Estos cálculos son la base del diseño y fueron realizados desde una
perspectiva técnica, lo cual genera una mejora en el diseño en comparación a
cómo se diseñan normalmente estas herramientas en la empresa de cerraduras.
• El correcto funcionamiento del troquel se validó por medio de herramientas de
simulación de movimiento y detección de interferencias. Estas herramientas
fueron muy útiles durante el modelado del troquel, debido a que permitieron
comprobar el funcionamiento y la correcta interacción entre componentes,
además, advirtieron de errores de diseño. Con estas herramientas se garantizó,
al menos desde el diseño, las medidas y tolerancias adecuadas, lo que conlleva
95
a una posible disminución de errores de fabricación, ensamble y posibles
correcciones que se tengan que realizar durante el ajuste y puesta en marcha
de la herramienta.
• La estimación del costo de fabricación de la herramienta se realizó usando
precios actuales que manejan las empresas proveedoras especializadas en
cada sector. Sin embargo, este valor es solo de referencia y no debe ser tenido
en cuenta al momento de planificar el costo real del proyecto, debido a que los
precios dados en las cotizaciones fueron ofrecidos a una persona natural, por lo
que es posible que varíen en el momento en que la empresa de cerraduras
decida fabricar la herramienta. Además, las empresas mostradas en el
documento son sólo algunas de las alternativas comerciales y no
necesariamente deben ser estas las que se tengan que elegir como las
proveedoras para fabricar la herramienta. De igual forma, los costos pueden
cambiar significativamente en el caso que se elijan otras empresas proveedoras.
• En el diseño de la herramienta se aplicaron diferentes ramas de la ingeniería
mecánica vistas durante la carrera, además, fue necesario fortalecer y
profundizar el conocimiento en el diseño de troqueles. Este tipo de trabajos
mejora las capacidades de diseño e investigación, además, ha complementado
muy bien lo aprendido durante toda la carrera. Diseñar un troquel es una labor
compleja que involucra muchos detalles y que requiere de mucha experiencia,
por lo que fue necesario buscar información especializada, fundamentos teóricos
y recurrir a personas que trabajan con estas herramientas, puesto que aportaron
su conocimiento en la realización de este proyecto.
• El proceso de diseño del troquel fue un ejercicio que ha dejado aprendizaje y
experiencia. Se mejoraron habilidades y conocimientos de ingeniería,
especialmente enfocados al diseño mecánico, materiales para herramientas,
modelado y troquelaría. A pesar de que, por experiencia laboral, se conocía los
96
aspectos técnicos relacionados a los troqueles, fue necesario fortalecer esos
conocimientos y aprender otros nuevos. Este diseño fue una experiencia
enriquecedora, porque ha aportado en la formación profesional. El documento
refleja el conocimiento y la experiencia adquirida, y fue realizado con el propósito
de que otras personas conozcan del tema, debido a que es un muy buen trabajo
introductorio para aprender acerca del diseño de este tipo de herramientas.
97
BIBLIOGRAFÍA
ACIEM. (2015). Manual de Referencia de Tarifas en Ingeniería. Bogotá D.C:
ACIEM Cundinamarca.
Archundia López, M. Á. (2015). Diseño y manufactura de un troquel de corte con
fines didácticos. Ciudad de México: Universidad Nacional Autónoma de
México.
ASM International Comitee. (1990). ASM Handbook, Volume 1: Properties and
Selection: Irons, Steels, and High-Performance Alloys. United States of
America: ASM International.
Balakrishnan, M., & Issac, J. C. (2014). Design of the Multi-Stage Progressive Tool
for Blanking a Sheet Metal Component. The International Journal of
Precision Engineering and Manufacturing, 875-881.
Boljanovic, V. (2014). Sheet Metal Forming Processes and Die Design. South
Norwalk: Industrial Press.
Bryson, W. E. (2009). Heat Treatment, Selection and Application of Tool Steels.
Cincinnati: Hanser Publications.
Groover, M. P. (2007). Fundamentos de Manufactura Moderna. México D.F:
McGraw-Hill.
Jia, Z.-X., Li, H.-L., Zhang, X.-C., Li, J.-Q., & Chen, B.-J. (2010). Computer-aided
structural design of punches and dies for progressive die based on
functional component. The International Journal of Precision Engineering
and Manufacturing, 837–852.
Mesquita, R. (2017). Tool Steels Properties and Performance. Boca Raton: CRC
Press.
Mott, R. (2006). Diseño de Elementos de Máquinas. México D.F: Pearson
Education.
98
Paquin, J. (2006). Die Design Fundamentals. New York: Industrial Press.
Sarmiento Beltrán, C. L., & Velásquez, D. C. (2016). Diseño de un troquel coaxial
doble para la producción de la pieza tapa betún 30g-36g y uso exclusivo de
la prensa (Alfons Haar P15) en la empresa Incoltapas S.A. Bogotá D.C:
Universidad Distrital Francisco José de Caldas.
Semiatin, S. (2006). ASM Handbook Volume 14B Metalworking: Sheet Forming.
United States of America: ASM International.
Suchy, I. (2006). Handbook of Die Design. New York : McGraw-Hill.
