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PARTE I

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INDICE TEMATICO 1 – Tendencias en tecnología láser 3 2 – Fabricar roscas por laminado tiene sus ventajas 9 3 – Nueva arquitectura para el cambio rápido de matrices de estampado 14 4 – La importancia de la lubricación en el estampado 16 5 – Corte por chorro de agua abrasivo 19 6 – Los láseres asumen el reto de la elaboración de orificios 24 7 – Tecnología en Prensas 27 8 – Herramental para punzonadoras de torreta 29 9 – Protección hidráulica contra sobrecargas 32 10 – Electroerosionado de hilo 41 11 – La electroerosión de hilo se vuelve horizontal 45 12 – El rayo láser inclinable ofrece nuevas oportunidades 47 13 – Aspectos analíticos y tecnológicos del proceso de punzonado de la chapa 52 14 – Teoría del punzonado 72 15 – Plegado de chapa con un punzón y una matriz 85 16 – Desarrollo y optimización de laminación en frío 94 17 – El corte de chapa mediante oxicorte 99 18 – Corte de chapa por láser 119

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1 - Tendencias en tecnología láser

Una de las empresas reconocidas en el rubro, especialista en fuentes láser y sistemas basados en láser para aplicaciones en el procesamiento de materiales para corte, soldadura, marcación y tratamiento superficial, presentó al mercado varias novedades.

"Pensamos el láser", lema de la organización Rofin-Sinar Technologies, muestra no sólo su dedicación por la búsqueda de soluciones o sistemas basados en láser, sino también su capacidad de innovación tecnológica. Sus ingenieros están dedicados a buscar la excelencia en láser y tienen el compromiso de mantenerse a la vanguardia en la tecnología de procesamiento de materiales.

Cuenta en el mundo con 150 físicos, ingenieros y técnicos experimentados que trabajan diariamente en el mejoramiento de las características de los productos existentes y desarrollan nuevas fuentes láser o soluciones basados en sistemas láser para sus clientes.

Gran parte de los adelantos logrados por Rofin se basan en tres tecnologías clave:- Láser CO 2 SLAB , para aplicaciones de corte y soldadura. Son láseres CO2 compactos, con una excelente calidad de rayo y requerimientos de mantenimiento drásticamente reducidos. Con patente exclusiva de Rofin para potencias mayores de 500 W.- Láser de estado sólido activado por diodos (DPSSL) para marcado, corte y soldadura. Con una mayor eficiencia y mejor calidad de rayo comparado con sistemas accionados por lámparas, y menor servicio requerido.- Láser de diodos de alta potencia (HPDL) para endurecimiento, soldadura, uniones o como componente. Los diodos láser, los más compactos de los láser industriales con alta eficiencia, están prácticamente libres de mantenimiento. Rofin posee sus propias líneas de manufactura y es especialista en láser con mayores potencias.

Con base en estas tecnologías ya probadas en la industria, y en otras tradicionales como el láser de CO2 de flujo axial o los láser Nd:YAG accionados por lámparas para marcación y microsoldadura, Rofin ha tenido la capacidad de desarrollar nuevos conceptos de equipo y aplicaciones que le han permitido penetrar en nuevos mercados. Varios de estos adelantos se han dado a conocer recientemente.

Remote Welding System (RWS)

Basado en el mismo principio que los equipos de marcación, el RWS ha sido una idea que ha atraído a los industriales desde hace varios años. Se trata de un desarrollo de la división Macro, de Rofin, en el que el punto focalde un haz láser de alta potencia es enfocado en un plano por medio de un espejo que puede rotar en dos ejes.

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Debido a la larga distancia focal de 1.600 mm, pequeñas desviaciones en el espejo provocan largos recorridos en el plano de trabajo y, con ello, un posicionamiento extremadamente rápido del punto focal a las diferentes posiciones de soldadura.

El sistema completo cuenta, además, con un eje lineal en el que se monta un lente de enfoque. El viaje de este lente, de 50 metros por minuto, permite posicionar el punto focal en el espacio, pasando del trabajo en un plano, a un volumen de trabajo en tres dimensiones. Este principio ha revolucionado la soldadura multipuntos para la industria de placa metálica y especialmente la de estampados y ensamble en la industria automotriz. Sus principales beneficios son la rápida automatización, los ciclos de producción más cortos, los ahorros en espacio de piso e integración a las líneas de producción y una mayor libertad para diseñar debido a la mayor flexibilidad en las geometrías.

Estudios realizados en plantas ensambladoras revelan reducciones del tiempo de producción -hasta diez veces- en relación con la tradicional soldadura de puntos, además de superar el desempeño de la soldadura láser de fibra óptica asistida con robot. Puede decirse que, en muchos aspectos, el RWS es el paso siguiente al robot en la automatización de procesos.

El área máxima de trabajo es de 2400 mm3 x 1500 mm3 x 600 mm3. Se utiliza un láser de 3,5 kW o 4,5 kW del tipo DC Slab debido a su alta calidad de rayo, que le permite un mejor enfoque a mayores distancias. Los más recientes adelantos en tecnología Slab de Rofin han dado la posibilidad de aumentar la potencia a 5 y 6 kW, para permitir mayores velocidades de trabajo.

La industria automotriz ha seguido muy de cerca el desarrollo de esta tecnología y en la actualidad ya se utiliza para la fabricación de postes, puertas, techos, cofres, etc. Es de esperar que dentro de diez años puedan verse líneas enteras de soldadura remota e, incluso, no se descarta la idea de tener un auto completamente soldado con láser.

Potentes fuentes láser para trabajos de soldadura ( DC060W)

En la pasada exposición EMO 2003, Rofin presentó su más reciente adelanto en la familia de láser de enfriamiento por difusión, mejor conocido como Slab, con potencias de 6 kW, principalmente orientado a trabajos de soldadura.

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El láser Slab fue presentado a la industria en la exposición Láser de Munich, en 1993, cuando las potencias disponibles alcanzaron el rango del kilovatio. A partir de su producción, el incremento en potencias ha sido constante y durante los últimos dos años el salto fue sustancial al alcanzar los 6 kW.

El DC 060 W resulta ideal para aplicaciones que requieran una profundidad considerable de soldadura o que involucren una gran distancia focal (como la soldadura remota a gran escala). Gracias a su excelente calidad de rayo con K > 0.9 (M2 < 1.1) es posible obtener cordones extremadamente delgados con mínima distorsión térmica, necesarios, por ejemplo, en la fabricación de engranes, transmisiones y componentes del tren motor. La mayor calidad de rayo genera una mayor concentración de energía, que puede convertirse en mayores velocidades de proceso.

Para aplicaciones en las que no sean necesarias las propiedades del modo gaussiano, sino que se requiera un cordón más ancho, los nuevos láser Slab permiten también la modalidad de Dona (Donut-mode, TEM01). Este láser se equipa con una óptica especial que incrementa el diámetro focal del haz a cierta distancia de foco en un factor de dos. El resultado es un proceso de soldadura extremadamente confiable, aún en piezas con grandes tolerancias.

A pesar de su potencia de salida, los láser Slab de alta potencia requieren el mismo espacio de instalación que sus predecesores de menos kilovatios, por lo cual se convierte en el equipo más compacto en el rango de potencias de 4 a 6 kW en comparación con tecnologías como las de recirculación axial (fast axial flow) o transversal (traverse flow).

El láser Slab, reconocido por su capacidad de generar un rayo de alta calidad sin necesidad de circulación de gas, da como resultado un bajo consumo de CO2 y es, prácticamente, libre de mantenimiento, además de ofrecer una operación sencilla y fácil de integrar.

Las principales aplicaciones se orientan a los sistemas de soldadura remota de gran escala para la industria automotriz, soldadura de componentes de aluminio y soldadura de tubería y perfiles, entre otras.

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Láser de estado sólido accionado por diodos (DPSSL)

Rofin ha desempeñado un papel determinante en el desarrollo de los láser Nd:YAG accionado por diodos desde su lanzamiento en 1999, cuando las potencias iniciaron en 1600 W, dejando en el pasado la tecnología de lámparas, cuyas eficiencias son apenas de 3%. Actualmente, la serie DY maneja un rango que va desde 500 W hasta 6.000 W. En CO2, Rofin ha desarrollado un DPSSL capaz de entregar calidades de rayo de 12 mm x mrad, que posibilita un incremento en la velocidad del proceso, con una vida esperada de los diodos mayor a las 10.000 horas de rayo encendido y una eficiencia de 10%. Durante la exposición Láser 2003 fue presentado al mercado el DPSSL de disco en el modelo Rofin DS 015 HQ, un láser de disco accionado por diodos con una potencia de salida de 1.500 W.

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El láser de disco de estado sólido utiliza un cristal Yb:YAG accionado por diodos con una eficiencia eléctrica de aproximadamente 20% y calidad de rayo mejorada. El láser DS-HQ de 1.500 W puede acoplarse a fibras ópticas de tan sólo 150 µ m, mientras que la versión de mayor potencia, con salida de 3.000 W, se usa en combinación con fibras de 300 µ m.

Hoy, este concepto hace posible obtener potencias de 750 W con calidad de rayo de 7 mm x mrad o 1.500 W con 12 mm x mrad a partir de un solo disco. Cuando se acoplan dos discos, la potencia de salida se puede duplicar sin pérdida en la calidad de rayo.

"Con el láser de disco estamos a la cabeza de un promisorio futuro en la tecnología del láser de estado sólido -afirma Volker Auerbach, responsable de la división Macro, de Rofin-. Este láser es un excelente suplemento de nuestra familia de láseres de barra accionados por diodos y muestran un promisorio potencial hacia nuevos desarrollos".

Las áreas primarias de aplicación de esos láseres incluyen la soldadura de alta velocidad de materiales delgados, soldadura con óptica de escáner, así como cortes de contornos ultrafinos. En combinación con el láser de disco, la división Macro ha desarrollado el Sistema de Soldadura por Escáner (Scanner Welding System, SWS). Se trata de un sistema de soldadura basado en un robot, que añade las características del principio de haz dinámico con escáner de deflexión. El sistema fue desarrollado en colaboración con el Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology, en Dresden, Alemania. El controlador de tiempo real integrado permite la generación de contornos complejos durante los movimientos simples del robot. Entonces, los movimientos del robot se reducen al mínimo y los tiempos de ciclo son dramáticamente recortados.

Marcación de componentes a otro nivel

Aun cuando los principios físicos son los mismos, la tecnología de marcación con láser se mueve en línea completamente independiente. Aquí las tecnologías de lámparas y diodos se han combinado en un espectro de aplicaciones más variado en materiales y características de marcado.

Con la reciente introducción del Powerline 20E, Rofin no sólo ha expandido su gama de equipos de accionamiento axial por diodos sino que también ha abierto nuevos campos de aplicación y hasta desplazado a otros equipos que habían establecido sus propios nichos de aplicación con potencias de 50 W, 100 W y 150 W.

El láser compacto con potencia nominal de 20 W, accionado axialmente, se caracteriza por su alta calidad de rayo y su corta duración de pulso. El alto pico de potencia de este láser reduce notablemente los tiempos de marcado.

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Con tan sólo 500 mm de longitud y 220 mm de altura, este láser libre de mantenimiento se integra muy fácilmente a instalaciones existentes. Dependiendo de los requerimientos, es posible suministrar gabinetes individuales o para rack de 19", diseñados de acuerdo con los estándares industriales de clientes OEM.

Adicionalmente a la versión estándar de 1.064 nm, existe otra versión de 532 nm de frecuencia doble disponible. Opcionalmente, es posible instalar un sistema de cabeza dual para áreas de marcación más grandes. En aplicaciones con mayor relación de pulsos, se pueden lograr frecuencias de hasta 200 Khz.

La alta potencia del láser -el doble que su hermano menor (Powerline 10E)-, abre nuevas áreas de aplicación. El Powerline 20E es el instrumento perfecto para el marcado de tarjetas de plástico, componentes semiconductores, así como grabado profundo en metales y codificación de componentes. La alta calidad de rayo (TEM00) permite el grabado profundo de estructuras finas. La óptima duración de pulso, en combinación con su alta frecuencia, logra la evaporación casi completa del material, reduciendo las rebabas y superficies quemadas.

Debido a sus excelentes propiedades ópticas, este láser puede ser usado en operaciones de micromecanizado (micromachining).

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2 - Fabricar roscas por laminado tiene sus ventajas

Con las macros y los ciclos internos grabados en el CNC de la mayoría de los centros de torneado actuales, el torneado de un solo punto de roscas externas puede parecer la decisión del proceso por defecto. Sin embargo, para numerosas aplicaciones, el laminado de roscas externas tiene ventajas inherentes que lo convierten en un sistema alternativo para la fabricación de roscas.

El mecanizado de roscas externas se realiza, fundamentalmente, con el uso del torneado --mediante herramientas de un solo punto y herramientas de forma, y de rectificado-- utilizando ruedas de un solo contacto o de forma. Estos dos procesos de corte de metal se usan para remover material y crear la geometría de rosca deseada.

Otro proceso disponible en los talleres es el laminado de roscas, que no es un proceso de corte de metal. En este proceso no se remueve metal para crear el perfil deseado, sino que se forma la rosca como una imagen a espejo de un rodillo de laminación.

Como nunca antes, los fabricantes metalmecánicos están bajo la presión de la competencia. Ya no es suficiente fabricar las piezas "como siempre lo hemos hecho". Cada vez más, encontrar la mejor técnica de proceso para una aplicación específica puede significar la diferencia entre ganar o perder dinero. Los márgenes son muy ajustados.

Para ilustrar una alternativa de corte y rectificado de roscas, este artículo presenta las ventajas y desventajas del laminado de roscas en centros CNC de torneado. Se analizan especificaciones de la aplicación y varios tipos de laminado de roscas, con información técnica de la empresa LMT-Fette (Cleveland, Ohio, E.U.).

Formado de roscas sin arranque de viruta

Como norma general, los materiales apropiados para laminar son difíciles de cortar y viceversa. El laminado de roscas se basa en la plasticidad del material base ?en su habilidad para deformarse? para tomar la forma permanente de los rodillos en el blanco de la pieza de trabajo. Una buena plasticidad del material cortado, generalmente da como resultado una formación pastosa de virutas y el agarrotamiento del borde de la herramienta. El hierro fundido, por ejemplo, no tiene las características de flujo apropiadas, por lo cual no es un buen candidato para el laminado de roscas.

Como el material del blanco es deformado plásticamente, por la presión en el proceso de laminado, debe tener una elongación mínima de 5 por ciento y una resistencia máxima a la presión de 246.000 psi.

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Según LMT-Fette, como la presión de los rodillos deforma plásticamente el material, este debe tener un factor de elongación mínimo de 5% y una resistencia a la tensión máxima de 246.000 psi. Estos valores pueden variar con los tipos de material y con el tamaño de los diámetros mayor y secundario.

En la operación de laminado de roscas, un cabezal portante de los rodillos es presentado axial, tangencial o radialmente a la pieza de trabajo. Aunque cada tipo de cabezal de rodillos opera con el mismo principio básico, diferentes aplicaciones de rosca requieren diferentes aproximaciones al blanco de la pieza de trabajo. Los detalles de los tres tipos de laminado de roscas son analizados más adelante en este artículo.

El laminado de roscas constituye un proceso de conformado. El material es reorganizado para crear la forma deseada. Como resultado, el blanco de la pieza de trabajo crece después de la operación de laminado, como se ve en la ilustración.

Asumiendo que el material de la pieza cumple con los requisitos de resistencia y flujo para el laminado, el proceso ofrece varias ventajas sobre el corte de roscas. Comparado con otros métodos de producción, el laminado de roscas proporciona propiedades físicas mejoradas. El trabajo en frío que tiene lugar en el proceso de laminado de roscas produce un incremento en la resistencia a la tensión y un terminado superficial mejor que el obtenido en operaciones de corte.

Como en la mayoría de las operaciones de trabajo en frío, la matriz del blanco de la pieza de trabajo inicialmente es comprimida por la fuerza del dado, haciendo que fluya plásticamente y tome la forma de este. El laminado de roscas opera básicamente de la misma manera. La forma del rodillo o rodillos del cabezal de laminado de roscas imparte la forma de la rosca al blanco de la pieza de trabajo. La compresión del material generador produce una condición de endurecimiento por deformación al comprimir la matriz del metal, lo cual crea resistencia a la fatiga en la rosca. Esta condición endurecida es parte del proceso, y cualquier tratamiento térmico posterior de la rosca laminada tendrá un efecto de recocido. El roscado por laminación debe ser realizado después del tratamiento térmico. El torneado y rectificado, por otra parte, en estado verde o endurecido, corta la matriz de metal para crear la forma deseada y deja la estructura de grano del metal virtualmente intacta.

Esta ilustración muestra la diferencia en el flujo de granos de una rosca laminada (izquierda) y de una rosca cortada (derecha). La resistencia a la tensión adicional y el mejor acabado superficial son dos productos inherentes al proceso de laminado de roscas.

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Laminabilidad del material

El laminado exitoso de roscas depende de los diferentes parámetros de aplicación. Entre ellos están el tipo de rosca que debe ser laminado, su diámetro mayor, el paso y la profundidad de la rosca. Consideraciones adicionales del laminado de roscas involucran la ductilidad y las propiedades de flujo en frío del material del blanco.

Cuando una rosca es laminada, la forma de la rosca se imparte al blanco de la pieza de trabajo moviendo el material generador. Un parámetro clave de este movimiento es la profundidad o raíz de la rosca. Cuando el rodillo desplaza el material que se convertirá en la rosca, este fluye de la raíz en direcciones radial y axial.

La posición de los rodillos mantiene el paso diametral de la rosca en un tamaño predeterminado, de tal manera que el material desplazado efectivamente alarga el blanco de la pieza. Según el tamaño y forma de la rosca laminada, se pueden obtener ahorros de material entre 15% y 20% al utilizar laminado en lugar de torneado o corte. En lotes grandes, esto puede significar una cantidad considerable de material.

A causa de la estrecha relación entre el diámetro exterior de la rosca y el blanco de la pieza, es crucial que los diámetros del blanco sean altamente precisos. La tasa de flujo del material se calcula con base en el diámetro especificado del blanco y su variación. Cualquier valor por encima o por debajo de este diámetro producirá roscas inaceptables.

El material de menor tamaño no fluirá totalmente en los dados del rodillo y producirá roscas de menor tamaño. La mayoría de las roscas es producida de acuerdo con los estándares unificados de 60° y similares, fáciles de laminar. La mayoría de los rodillos utilizados para producir estas formas tienen crestas relativamente agudas, por lo general con un radio de borde para ayudar al dado a penetrar el material. Los ángulos de estas roscas, 30° en cada flanco, proporcionan la fuerza para hacer que el material fluya radial y axialmente, de una manera controlada y predecible.

El laminado de roscas puede ser aplicado para crear una gran variedad de formas en blancos de las piezas de trabajo.

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Las roscas Acme y las trapeciales (worm) pueden ser laminadas, pero la cantidad, relativamente grande, de material que debe ser desplazado y la distancia que debe moverse, puede producir descascaramiento de los flancos. La laminabilidad de estos tipos de rosca se mejora al cambiar la configuración de raíz de la rosca, de plana a curvada. El laminado de roscas también puede ser aplicado a operaciones de bruñido, moleteado y, algunas veces, al emboquillado.

Laminado de roscas axiales

Según el tipo de máquina y de la rosca que deba ser fabricada, los talleres tienen varias configuraciones de laminado, de las cuales pueden escoger. Para crear una pieza, un laminador de rosca axial se mueve desde el extremo del centro de torneado del lado del contrapunto en la dirección de la línea central del blanco de la pieza de trabajo. Los rangos de trabajo más comunes para roscas axiales están entre 0,06" y 9" de diámetro.

Por lo general, el cabezal axial se monta en uno de los bolsillos de herramientas de la torreta del centro de torneado. En una pasada, tres (o hasta seis) rodillos son alimentados en el blanco y activados por la rotación del blanco de pieza de trabajo.

De izquierda a derecha, estas figuras muestran los principios funcionales de los rodillos de roscar axiales, tangenciales y radiales. El arreglo de los rodillos en un cabezal axial permite que el blanco pase al través, para que las roscas más largas que el ancho del rodillo puedan ser laminadas. Al principio de estos cabezales, unas pocas roscas son progresivas, como un macho o una brocha, y requieren un chaflán en el blanco de la pieza de trabajo. Pueden usarse progresiones más cortas para trabajar hombros u otros rasgos de pieza, pero la vida del rodillo puede ser afectada por los esfuerzos adicionales.

Laminado de roscas tangenciales

Como su nombre lo indica, el cabezal de rodillo tangencial genera las roscas acercándose al blanco de la pieza de trabajo por el lado. Algunas veces es llamado cabezal de rodillo lateral o cabezal de deslizamiento cruzado, y está diseñado para laminar las roscas presionando a una tasa de avance controlada, con dos rodillos paralelos fijos en el componente rotativo. Es necesario proporcionar un avance mecánico o servoasistido para el laminado tangencial de roscas. No es posible operar estos rodillos manualmente.

Los rodillos hacen contacto tangencial cuadrado con el diámetro del blanco de la pieza de trabajo, forzando al material a fluir uniforme y plásticamente, tomando la forma de los dados del rodillo. Este proceso de conformado es muy rápido y produce un perfil de precisión, libre de rebabas.

En operación, el rodillo tangencial produce una rosca completa en 15 a 30 revoluciones del blanco de la pieza. Una ventaja de este tipo de rodillo es que puede conformar roscas muy cerca (a un solo hilo o algunas veces a menos) del frente o de la espalda de un hombro o de otro rasgo de la pieza.

Los rodillos tangenciales sólo laminan roscas del ancho de los rodillos. Los rangos de trabajo de los rodillos tangenciales Fette están entre 0,61" y 1,59". Estos rodillos no son recomendados para roscas Acme y trapezoidales, porque la fuerza requerida supera los límites de diseño de los soportes.

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Laminado de roscas radiales

Un tercer tipo de rodillo de roscar es el cabezal radial. Este utiliza dos o tres rodillos para formar una rosca en una sola rotación del blanco de la pieza de trabajo.

Los rodillos en este tipo de cabezal de roscar son rectificados excéntricamente. Empezando con un plano en cada rodillo, la forma de la rosca es progresiva. Una forma de rosca menos profunda empieza a un lado del plano y una de forma completa al otro lado.

Un cabezal radial de tres rodillos en reposo utiliza planos alineados para formar una apertura de holgura. Esto permite que el blanco de la pieza sea posicionado entre los rodillos y la parte terminada de la rosca, para poder salir sin hacer daño a las roscas. Los dos cabezales de rodillos utilizan el mismo principio.

Internamente, los rodillos se ponen en movimiento aflojando los resortes de tensión fijos a un embrague rotativo. Una vez liberados, la rotación de la pieza de trabajo o de la unidad de rodillos continúa el movimiento hacia delante de los rodillos excéntricos, hasta que el torque del blanco de la pieza de trabajo lleva el resorte del embrague a su tensión inicial.

El rango de trabajo del cabezal radial de rodillos de roscar es de 1/16" a 2 1/2" de diámetro. Como en el cabezal tangencial, la longitud de la rosca no puede exceder el ancho de los rodillos de roscar.

Acerca de la flexibilidad

El mecanizado exacto y preciso de roscas es una capacidad clave para cualquier taller. Considerar el laminado de roscas como una herramienta potencial para la manufactura de piezas con roscas debe ser una estrategia de proceso del taller.

El laminado de roscas requiere hacer una inversión en herramental por los cabezales y rodillos, mucho mayor que la de los insertos para el roscado de un solo punto. Sin embargo, en aplicaciones que involucren materiales endurecidos, buenos terminados superficiales e integridad superficial, lo mismo que altos volúmenes de producción, la tecnología de laminado de roscas puede ser más efectiva en costos a largo plazo. Además, como los cabezales pueden utilizarse en un centro de torneado CNC junto con los sistemas de roscado de un solo punto, el laminado de roscas puede ser aplicado flexiblemente de acuerdo con las necesidades de la aplicación, convirtiéndose en la herramienta apropiada para el trabajo.

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3 - Nueva arquitectura para el cambio rápido de matrices de estampado

Esta es una mirada a un nuevo sistema que hace más productivas las líneas de prensa en el montaje de matrices de estampado.

Los arquitectos que diseñaban antes los edificios en los que se alojan las principales líneas de prensa no tuvieron en cuenta la necesidad de un cambio rápido de matrices (a menos que estos edificios hayan sido diseñados y construidos en los últimos años). Para asegurarse, construían estructuras muy firmes (después de todo, nadie querría que la estructura se cayera a raíz de los golpes de las prensas) teniendo en cuenta que en las actividades de estampado las cargas pesadas (como los juegos de matrices) debían moverse con el puente grúa, de tal manera que diseñaron estructuras con columnas robustas, brindando así la integridad estructural requerida.

Otra consideración es que las prensas de estampado para partes de automóviles ocupan mucho espacio (tienen superficies con dimensiones del orden de 120 a 180 pulg.) especialmente cuando hay varias en serie.

A menudo hay líneas paralelas. Algunas veces estas líneas no están exactamente alineadas: una prensa en la línea A no está directamente ubicada con la prensa de la B; existe un escalonamiento entre ellas.

Esta organización era satisfactoria cuando las operaciones de prensado tendían a ser fijas por un largo periodo y cuando la razón básica por la cual una línea se paraba por un tiempo considerable tenía relación con algún problema de las matrices, del suministro de materiales, de desalineamientos, etc. Así eran las cosas. La grúa podía atravesar a lo largo del techo y alcanzar los centros de las líneas de prensa, inclusive cuando había dos líneas adyacentes. La grúa no era capaz de manipular las cargas que estaban fuera de las áreas de dos líneas de prensa, de manera que era un poco inestable (recordemos que este tipo de matrices pueden pesar de 50 a 60 toneladas), pero de todas maneras no era un problema frecuente.

Por supuesto que hoy en día la cuestión es poder hacer un cambio rápido. Con el estado actual de los negocios, es necesario parar una línea temporalmente (y entre menos tiempo mejor) para realizar un cambio de matriz. Una de las maneras de hacer esto posible, es a través del uso de carros para matrices. Estos carros motorizados, que generalmente se desplazan sobre rieles, son capaces de cargar los juegos de matrices sobre plataformas. Cuando una línea de prensado en serie está lista para el cambio, el ciclo puede ser uno de manera que los carros de las matrices se ubiquen entre las prensas, y cuando una serie de troqueles se retira de la parte trasera del carro, la serie usada de troqueles de la cabeza de prensa puede ser metida dentro del carro, para retirarlo de la línea (de tal manera que para una línea de seis prensas se requieren siete carros, uno al final de la línea que comienza desocupado y otro en la cabeza de la línea que termina desocupado).

Uno de los líderes en la fabricación de estos sistemas de carros para matrices es Atlas Technologies (Fenton, Michigan, E.U.) que ha suministrado sistemas de carros de matrices para estampadores del mundo entero. Mike Austin, Vicepresidente de Atlas, ha estado en tantas plantas de prensa como ninguna otra persona que usted pueda conocer (estima que hay alrededor de 2.000 series de líneas de prensa en el planeta; Atlas ha hecho sistemas de cambio en 125 de ellas). El afirma que "los edificios que alojan las prensas han sido construidos para los procesos y no para el cambio de matrices".

¿Qué hizo Austin al respecto? El primer problema fue el espacio, o la falta del mismo, para ser más específicos. Hay que imaginarse dos líneas paralelas de prensa que son abastecidas por carros de matrices. Para hacer las cosas más interesantes, imagínese que las líneas son paralelas, pero que las prensas individuales están escalonadas de tal manera que es imposible tener una serie de rieles perpendiculares a las líneas de prensa, que permitan mover un solo carro hacia adelante y hacia atrás entre una serie de prensas en ambas líneas. Esto implicaría la necesidad de dedicar un carro para cada línea. Tanto los carros como las matrices que ellos deben manipular son grandes. De hecho miden 91,44 cm. más que las matrices. Este espacio extra es requerido para acomodar el motor del carro. Lo que significa, por supuesto, que cuando hay matrices de gran tamaño involucradas, los carros pueden congestionar rápidamente los pasillos entre las líneas paralelas.

Ahora, para complicar el asunto aún más, imagínese que hay un carro estacionado al lado derecho del área entre dos prensas en una línea en serie; el mecanismo automatizado que se localiza entre esas dos prensas deberá ir a alguna parte permitiendo que el carro se mueva temporalmente en ese espacio para efectuar el cambio. Idealmente, el mecanismo automatizado puede ser movido hacia el lado izquierdo de las prensas, pero algunas veces, cuando

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trabaja con matrices de 120 pulgadas o más, las columnas del edificio tienden a obstaculizar el camino, de manera que el cambio no puede hacerse de izquierda a derecha. Esta ha sido la razón por la cual Austin dice que "las plantas fueron diseñadas para acomodar las prensas, pero no para facilitarles el cambio".

Austin afirma que "la mayoría de los fabricantes se han dado cuenta que para ser competitivos se requiere el cambio rápido de matrices y el mecanismo automatizado". Pero también anota que dada una situación como la descrita aquí, cuando aparecen problemas de espacio en los pasillos o en medio de las líneas de prensa y en los muros o en las columnas del edificio, los fabricantes pueden escoger entre una serie de troqueles y un lugar difícil.

La solución es simple. O al menos parece ser simple en retrospectiva. En marzo del 95 Atlas tecnologies solicitó una patente que ha sido denominada DAC (Die/Automation Cart).

Como su nombre lo indica, los DAC combinan los carros para cambio de matrices con el mecanismo automatizado entre las prensas. Esencialmente, la matriz relacionada con el área de trabajo del carro es estándar. La diferencia primaria es que se le construye una estructura metálica en el carro. El mecanismo automatizado de entreprensa se le agrega al marco. Austin dice que "esta no es una solución cuando un eventual usuario se considera atado a un sólo distribuidor".

En un escenario en donde haya un DAC en uso hay una pieza adicional para tener en cuenta: los dispositivos de posicionamiento (racks). Así como es fundamental un cambio rápido de matriz, también lo es su alistamiento. Los racks de matrices facilitan ese alistamiento (no obstante, hay que tener en cuenta que en muchos de los sistemas de carros para matrices, estos dispositivos son parte del equipo; aquí los racks pueden ser casi algo más de lo que ya tiene a su disposición). Durante el estampado, los carros no están situados en las islas esperando un cambio, sino que se colocan entre las prensas. Cuando se va a producir un cambio de matrices, las series son transferidas desde las prensas hacia los carros como en un sistema convencional de cambio de matrices con carro (como está descrito en el cuadro); pero luego comienzan las diferencias. Los carros salen por entre las prensas cargando no sólo las series de matrices, sino también el sistema de mecanismo automatizado de entreprensa. El sistema automático no necesita ser indexado en ninguna parte, ya que se moviliza con el carro. Los carros salen por entre las prensas, desplazándose hacia los dispositivos de posicionamiento y se realiza el cambio. Luego regresa para descargar la matriz entre la prensa. Después no es necesario hacer ningún servicio de reconexión y se regresa al negocio.

Los beneficios son muchos. Por ejemplo, hay varios aspectos en reducción de costos. Es el caso de muchos usuarios que montan abrazaderas de sujeción en las prensas para el mecanismo automatizado; estos costos se eliminan. O en los casos en que la idea es mover el mecanismo automatizado fuera de la prensa (hay que asumir que el carro de la matriz viene por el costado interno) es necesario romper el piso de concreto para instalar rieles que permiten que el mecanismo pueda desplazarse. Este trabajo desaparece. Hay también ganancias de espacio. El pasillo central entre dos líneas de prensa, puede simplemente tener racks (y los racks se pueden colocar aún si las prensas en dos líneas están escalonadas, sin tener que reubicarlas: la ubicación de los racks es más fácil de efectuar). Los pasillos exteriores pueden tener racks, paneles eléctricos, o accesos peatonales rectos.

Para aquellas personas que están pensando adicionar un mecanismo automatizado a una línea de prensa, el uso del DAC hace que el cambio de matriz sea un costo bajo extra. Para los que están pensando en añadir carros de matrices a una línea de prensa, los DAC les brindan la oportunidad de adicionar el mecanismo automatizado posteriormente. Y según Austin, para aquellos que ya tienen el carro de matriz o el mecanismo automatizado existe la posibilidad de actualizar el DAC.

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4 - La importancia de la lubricación en el estampado

La inversión en una nueva tecnología de lubricación ha producido una amplia retribución a Zierick Manufacturing Corporation (Mount Kisco, Nueva York). Al cambiar la tradicional tecnología de almohadilla y goteo por un nuevo sistema de lubricación, ha logrado un cubrimiento consistente del material, un mantenimiento y limpieza de piezas reducido y la disminución del consumo de aceite en 60%. El cambio le ha reportado a la empresa un ahorro de US$ 19.000 al año.

Zierick se especializa en conectores de alta calidad, utilizados en tarjetas de circuitos impresos, teléfonos celulares, electrodomésticos y aplicaciones automotrices. Para que el taller de prensas opere siempre con una máxima eficiencia y mantenga su reputación de entregas rápidas, la búsqueda de nuevas maneras de mejorar la productividad es permanente.

La lubricación, un elemento crítico en la vida de l as matrices y en la tolerancia de las piezas

En el taller de producción, una combinación de 22 prensas Bruderer y Minster, de 25 a 60 toneladas, es utilizada para estampar conectores a velocidades de entre 400 y 1000 golpes por minuto. Los materiales de trabajo incluyen latón, bronce, cobre y acero inoxidable, en anchos que varían de 0,375 a 3.140 pulgadas y espesores entre 0,00355 y 0,064 pulgadas. El material debe mantenerse bien lubricado con el fin de conservar en buen estado las matrices utilizadas para la estampación de conectores y para preservar las tolerancias críticas de las piezas. Hasta hace poco, el proceso de lubricación era el mayor dolor de cabeza para el gerente de ingeniería Bill Searles y para el ingeniero de manufactura Ajay Sharma.

Igual que muchos estampadores, Zierick ha experimentado por años con una gran variedad de métodos de lubricación, como los sistemas de goteo y de rodillos presurizados, y hasta cierto punto debía fabricar sus propios sistemas. Searles dice que, sin importar el método utilizado, el problema siempre se reduce a una cosa: no hay manera de controlar con precisión la cantidad de aceite aplicado al material. "La dificultad con cada uno de estos sistemas era que el cubrimiento podía ser no uniforme, a parches o ambos. Para estar seguros de que la superficie del material estuviera lubricada, teníamos que mantenerla inundada, aunque esto significara utilizar más aceite del que realmente se necesitaba".

Ajay Sharma es el responsable de las mejoras de proceso en toda la planta. Un artículo reciente sobre un nuevo sistema de lubricación de material lo hizo ponerse en contacto con EFD Inc. (East Providence, Rhode Island) para obtener más detalles.

Nueva estrategia para la lubricación de material

El sistema de lubricación MicroCoat de EFD fue desarrollado específicamente para la industria de estampación de metal y está diseñado para cubrir el material con una capa fina y uniforme de aceite. El aceite es aplicado con válvulas spray de precisión que utilizan aire a bajo volumen y baja presión (LVLP, Low Volume Low Pressure) para proporcionar un cubrimiento uniforme y consistente sin excesos o goteos.

Las válvulas spray compactas se aseguran dentro de la prensa entre la alimentación de material y el herramental. La operación de las válvulas es regulada por un controlador neumático, que le facilita al operador ajustar de una manera rápida y segura la cantidad correcta de lubricación para cada trabajo, desde la parte externa de la prensa. Perillas individuales de control de flujo en el frente del controlador, permiten que la salida de cada válvula sea ajustada independientemente y proporcione un control preciso de la cantidad de aceite aplicada.

A diferencia de los sistemas de almohadilla y de rodillos, que necesitan tiempo del aplicador para que se sature o se seque, el MicroCoat permite cambios instantáneos del cubrimiento cuando se requiera compensación por desgaste de la herramienta o por levantamiento del material. La cantidad óptima de lubricación puede establecerse en unos

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pocos minutos y el cubrimiento permanecerá constante para la corrida completa de la prensa. El aceite es suministrado a través de un tanque translúcido que le permite al operario monitorear visualmente el nivel de aceite.

El sistema MicroCoat, de EFD, utiliza aire a bajo volumen y baja presión (LVLP) para cubrir el material con una capa de aceite fina y homogénea. Una lubricación consistente, sin puntos secos ni goteos, ha ayudado a Zierick Manufacturing Corporation a disminuir el consumo de aceite en 60% y reducir el mantenimiento y el desgaste de las herramientas.

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El sistema también incluye guardas de seguridad integradas para evitar que la prensa opere sin lubricante. El controlador de válvulas está cableado dentro del circuito de la prensa, de tal manera que la lubricación empieza automáticamente cuando la prensa es activada y se detiene cuando la prensa es apagada. Esta estrategia a prueba de fallas asegura una lubricación consistente mientras la prensa trabaja y elimina goteos y charcos cuando la prensa se detiene en las horas de descanso o al final del día. Para una mayor protección, si la presión de lubricante disminuye de un valor preestablecido, el sistema se detendrá automáticamente antes que el herramental pueda sufrir daños.

Impresionados con el potencial de MicroCoat, Sharma y Searles decidieron ensayar por sí mismos, dentro del programa de evaluación sin costo de EFD. El consumo de aceite en la prensa del ensayo bajó inmediatamente en 60% y después de varios días de ensayos intensivos, la habilidad de MicroCoat para aplicar una cantidad consistente de aceite los convenció de que Zierick, por fin, había encontrado la solución a sus problemas de lubricación. Sin embargo, antes de suscribir una orden de compra para equipar las otras prensas, Sharma contactó a diferentes vendedores para ver si podían ofrecer resultados similares. Sólo uno estaba en capacidad de proporcionar un sistema para su comparación.

Los dos sistemas de lubricación fueron instalados en prensas adyacentes y la prueba comenzó en ambos lados. Inicialmente, se pretendió que la prueba durara dos semanas, pero las diferencias en cubrimiento, facilidad de alistamiento, operación y consumo de aceite eran tan evidentes, que la prueba fue cancelada después de unos pocos días y Sharma recibió la autorización para seguir adelante con la orden de 21 sistemas adicionales MicroCoat.

El consumo de aceite disminuyó 60%

Zierick ha instalado hasta la fecha 19 sistemas MicroCoat. Aunque el objetivo inicial era obtener una lubricación más consistente con un mejor control, Searles y Sharma dicen que se han conseguido otros beneficios significativos en la medida en que el MicroCoat se ha integrado en la rutina diaria del taller de prensas.

Áreas de trabajo más limpias y con menos mantenimiento. Los sistemas de almohadilla continuaban goteando si los operadores olvidaban desactivarlos cuando las prensas se detenían. Este problema ha sido eliminado y el personal de mantenimiento ya no tiene que fregar las almohadillas alrededor de las prensas.

Operación más fácil y segura. El sistema MicroCoat simplifica el alistamiento para diferentes trabajos y permite que todo esté controlado desde el exterior de la prensa. Como el cubrimiento ahora es uniforme, los operadores de prensa ya no tienen que monitorear los aceitadores de material.

Más piezas con menos desgaste de la herramienta. "La lubricación con MicroCoat es tan consistente -dice Sharma-, que cuando probamos el primer sistema estábamos en capacidad de producir más de 900.000 piezas con sólo un galón de aceite. Cuando retiramos la herramienta y la revisamos en el microscopio, no había desgaste visible".

Inspección visual más fácil. Como parte de su sistema de aseguramiento de calidad, Zierick utiliza sistemas de inspección visual para chequear los conectores cuando salen de las prensas y son embobinados en los spools. Algunas piezas tienen tolerancias tan ajustadas que los operadores acostumbraban soplar cualquier exceso de aceite antes de poder inspeccionarlos. Con el MicroCoat, las piezas salen tan limpias que el equipo de inspección puede graduar el cero inmediatamente en las áreas críticas.

Reducción de 60% en los costos de aceite. Las almohadillas de goteo eran alimentadas con tanques recirculantes de 4 galones que debían ser llenados diariamente. En contraste, MicroCoat consume sólo 1,5 galones en el mismo intervalo.

"Nuestro recubrimiento de aceite ahora es tan fino y homogéneo que casi no se puede ver -concluye Searles-. Cuando estén completamente implementados todos los sistemas MicroCoat, esperamos obtener aún mayores beneficios."

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5 - Corte por chorro de agua abrasivo

Entre las modalidades del corte de metal, el chorro de agua abrasivo se presenta como una alternativa flexible y económica.

Los avances tecnológicos y las mejoras en la automatización y en la vida de los componentes, han convertido a los sistemas de chorro de agua abrasivo AWJ (abrasive waterjets), en máquinas herramientas viables para el corte de metales.

Dependiendo de la aplicación, los AWJ pueden proporcionar ahorros significativos en tiempo y costos, comparados con las tecnologías convencionales. Este artículo describe las diferentes aplicaciones de los AWJ para corte de metales, sus posibles beneficios sobre la máquina herramienta, y una visión general del hardware y de su operación.

Una de las compañías pioneras de esta tecnología ha sido La Flow International Corporation con sede en Kent, Washington en los Estados Unidos, que inventó el chorro de agua abrasivo y lo introdujo como un sistema disponible comercialmente en 1984.

El corte por chorro de agua abrasivo consiste en un sistema de agua presurizada a 55.000 libras por pulgada cuadrada (psi), utilizando granate como abrasivo mezclado en el chorro de agua. El agua es forzada a través de un orificio de precisión de aproximadamente 0.013 pulgadas de diámetro. Un abrasivo, usualmente granate, se le agrega al agua.

La mezcla agua/abrasivo, que viaja a una velocidad de más de tres veces la velocidad del sonido, corta rápida y precisamente materiales duros con una precisión de +/- 0.005" y una repetibilidad de +/- 0.0025"

Aplicaciones

Los AWJ pueden cortar metales en rangos de espesor que varían desde láminas de calibre delgado, hasta aceros inoxidables, aluminios y materiales aerospaciales de 8 pulgadas. Por ser un proceso de corte en frío con esfuerzos mecánicos reducidos, no produce zonas afectadas por el calor, distorsiones, bordes endurecidos, escoria, congelado, ni quemado. Cuando se considera el AWJ para una aplicación metálica deben ser tenidas en cuenta únicamente las características del material. Las máquinas herramientas como los láseres, el plasma, las sierras y las fresadoras, pueden ser limitadas por el tipo de espesor y los metales que pueden cortar. El material puede ser muy grueso, reflectivo, sensitivo a la formación de zonas afectadas por el calor (HAZ, heat-affected zone) o puede presentar otros problemas como los esfuerzos mecánicos. El AWJ puede servir como un complemento o como el reemplazo de otras máquinas herramientas en aplicaciones de corte de metales cuando estas características están presentes.

Las máquinas herramientas, al igual modo que los láseres, no son tan flexibles. Un láser de dos kilovatios, que puede desempeñarse muy bien cortando láminas de calibre delgado hasta de 0,5", no será tan efectivo en espesores superiores a esa medida. Adicionalmente, metales como el bronce y el latón presentan problemas con el láser, por su naturaleza reflectiva.

Los láseres también pueden ser ineficientes para cortar materiales compuestos, debido a una posible fusión. Esto es especialmente cierto en materiales compuestos, cohesionados con epóxicos o resinas. El calor generado por el láser puede fundir los epóxicos o las resinas, delaminando en el material.

Para talleres que deseen tener la flexibilidad para cortar materiales como el vidrio, la piedra o el mármol, el corte por chorro de agua abrasivo, es una buena opción. Los láseres no pueden cortar estos materiales, debido a sus propiedades térmicas.

Un láser de dos kilovatios puede cortar metales no reflectivos de 0,250" o menos, mucho más rápido que un sistema AWJ equipado con una cabeza de corte, lo mismo que el plasma, que puede ser más rápido en la mayoría de los metales. En metales de espesores mayores a 0.250", los láseres pueden generar una zona afectada por el calor que puede requerir de un terminado secundario, el cual se sumará al tiempo total de producción. El plasma generalmente deja una zona afectada por el calor, independiente del espesor del material. Esto por supuesto es subjetivo, ya que el fabricante especifica el terminado requerido.

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En la mayoría de los casos, el plasma es más conveniente cuando la velocidad es crítica y la calidad del borde no es de mucho interés. Generalmente, el láser es una mejor elección que el plasma cuando se requiere velocidad y precisión con materiales delgados no reflectivos.

Los nuevos avances tecnológicos, las técnicas de corte y la configuración de sistemas, hacen competitivos al AWJ y al láser para algunas aplicaciones en lámina metálica. Los fabricantes que utilizan AWJ, pueden apilar láminas metálicas delgadas y luego cortarlas utilizando cabezales dobles o triples. Esta técnica trabaja mejor cuando se apilan metales con espesores entre 0,040" y 3/8". Para estos espesores, los operadores apilan hasta doce láminas de material al mismo tiempo. La combinación del apilado y el uso de cabezales múltiples aumenta el número de partes trabajadas por hora, haciendo competitivos al proceso de corte por chorro de agua abrasivo y al corte por láser, en cierto tipo de aplicaciones de corte de láminas metálicas.

La calidad de los bordes con AWJ comúnmente varía entre 63 y 125 rms, y en unos pocos casos alcanza hasta 32 rms. Aunque pueden obtenerse precisiones de +/-0,0025". Los valores típicos están en el rango de +/-0,005" a +/-0,010". Los anchos de corte varían entre 0,030" y 0,050". Por supuesto, los valores reales dependen del equipo específico utilizado y de las opciones adquiridas.

Rendimiento

Además de los atributos previamente mencionados, los AWJ reducen los costos y el tiempo de corte para muchas aplicaciones en cortes de metal. La utilización de materiales mejorados constituye uno de los beneficios claves comparado con la utilización de las tecnologías tradicionales de corte. La disminución de costos derivada de las mejoras en la utilización de materiales es más evidente para los fabricantes que utilizan metales costosos como el Inconel, el titanio y el acero inoxidable.

En lugar de cortar material del perímetro, como sucede con un torno o una fresadora, el chorro de agua abrasivo penetra desde el borde de la lámina (aunque también se puede iniciar desde el centro) en una simple pasada, cortando directamente sobre las líneas especificadas.

El corte por chorro de agua abrasivo produce un menor consumo de material por ancho de corte que los de plasma y llama, disminuyendo el gasto de material. La ausencia de zonas afectadas por el calor elimina la necesidad de dejar material extra para compensar las operaciones de terminado.

Los usuarios de AWJ pueden utilizar software de animado (acomodamiento de formas) para mejorar el uso del material. Un AWJ controlado por un CNC puede cortar múltiples partes anidadas en una lámina, dejando entre ellas tan solo un pequeño espacio de 0,05". El ancho mínimo del corte permite a la máquina herramienta liberar dos partes que compartan un borde común en una sola pasada (referida a una línea común de corte).

Además de metales, el AWJ puede cortar compuestos, vidrio, piedra y otros materiales. Esta es una característica beneficiosa en el momento de buscar la diversificación del taller.

Intercambiando la cabeza de corte por chorro de agua abrasivo por la cabeza de corte por chorro de agua (5 minutos es el tiempo aproximado del cambio) se pueden cortar materiales blandos. La flexibilidad para cortar todos estos materiales en una sola máquina le abre nuevos mercados al taller.

Como el corte por chorro de agua abrasivo no es una herramienta de corte por contacto, sus usuarios no necesitan afilar o cambiar cuchillas. Los consumibles dentro de la cabeza de corte tienen una duración que varía entre 100 y 120 horas.

Operación

Los AWJ son máquinas herramientas y por lo tanto, poseen programación, reglaje, cambio de trabajos, mantenimiento de equipo y manejo de desechos.

Programación:

Un sistema AWJ de 2, 3, 4, o 5 ejes, puede ser operado por un control numérico computarizado (CNC) o por un control basado en un computador personal (PC).

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Un CNC estándar utiliza códigos G y M. Un trabajo puede ser programado cargando los datos manualmente o transfiriéndole un programa desde un sistema de manufactura asistida por computador (CAM).

Existen dos ítems disponibles para hacer la programación más fácil:

1.- Función de modo aprendizaje. En el CNC esta función le permite al operador mover manualmente la cabeza de corte a unos puntos dados, como sucede con los cuatro puntos de un cuadrado, para grabarlos luego en el control. Esto puede ayudar a acelerar el trabajo. Sin embargo, hay que tener en cuenta que con este método la exactitud no es tan buena como con la programación fuera de línea.

2. Software de base de datos. Este software puede ayudar a reducir el tiempo que gasta el taller tratando de determinar las velocidades óptimas, las ratas de avance y el tipo de herramienta que se debe utilizar en un determinado trabajo. El software tiene datos predeterminados que le dan al usuario información sobre herramientas, abrasivos y velocidades, para determinar la mejor combinación en costo por pulgada. El software también puede ayudar a cortar piezas intrincadas con menos programación.

Los nuevos controladores inteligentes basados en PC vienen pre-programados con toda la información necesaria para cortar con chorro de agua abrasivo, simplificando considerablemente la operación. Como resultado, no esnecesario tener conocimientos de programación CNC, de códigos de máquina, de velocidades de corte, o de ratas de avance, para operar la máquina. Utilizando un menú de iconos, el operador simplemente señala y pulsa para obtener los comandos de chorro de agua.

Alistamiento:

Para el alistamiento inicial, el AWJ necesita un suministro de agua estándar. En la mayoría de las máquinas se instalan bombas booster y filtros para pre-tratamiento de agua, de tal manera, que el único alistamiento necesario es la conexión del agua a la bomba y la instalación del motor apropiado al panel de control.

Fuerzas muy pequeñas, verticales o laterales (menores de cinco libras), son impartidas sobre los materiales, por lo que se necesita una fijación mínima para sostener las piezas de trabajo.

El orificio a través del cual el agua a alta presión es forzada en la cabeza de corte, es usualmente de zafiro o de material de diamante. La vida del zafiro es de 50 a 150 horas, mientras que la del diamante está entre 1.500 y 2.000 horas, dependiendo de la calidad del agua.

En el tubo de mezcla el abrasivo (generalmente granate) se mezcla con el agua a presión para formar la corriente de chorro abrasivo. Este tubo está hecho de un material de carburo cerámico y puede tener una vida de 100 a 150 horas, dependiendo de la cantidad de abrasivo que se utilice.

Cuando se corta con abrasivos, estos dos componentes son usados en combinaciones estándar teniendo en cuenta la capacidad de la bomba. Por ejemplo, la relación tamaño de orificio/diámetro de tubo, puede ser definida como 10/30, 13/40, o 16/40. Ambos números son dados en milésimas de pulgada.

Para un nuevo trabajo no son necesarias las herramientas múltiples. Únicamente es necesaria una combinación orificio/tubo de mezcla sin importar el tipo de trabajo, tal como se determine en la base de datos. El tiempo de cambio de la combinación orificio/tubo de mezcla es de aproximadamente cinco minutos.

La vida de la herramienta fue un problema cuando la tecnología AWJ fue introducida originalmente, pero los nuevos materiales y el diseño aumentaron la vida del tubo de mezcla. Su desgaste es predecible. Usualmente es de 0,001" para un periodo de trabajo de ocho horas, el cual se refleja en el ancho del corte.

Las interrupciones en el flujo del abrasivo pueden causar problemas. Pero con un apropiado alistamiento estos inconvenientes no son comunes. Existen dispositivos de monitoreo para talleres que trabajan con materiales de altas exigencias, que miden las variaciones de flujo, las fluctuaciones de agua y el estado del orificio.

Aunque las bombas de chorro de agua de alta presión tienen ítems consumibles que las máquinas convencionales no poseen, su mantenimiento es fácil. Más del 90 por ciento de los propietarios entrenados por el vendedor de máquinas por medio de clases y videos, realizan su trabajo de mantenimiento sin solicitar siquiera asistencia

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telefónica.

Los sellos de alta presión y los repuestos para válvulas cheque son los repuestos más comunes que se requieren después de 500 a 800 horas de trabajo en una bomba de 55.000 psi. Para una bomba de 44.000 psi se requiere el doble de tiempo. Un técnico de mantenimiento puede realizar el cambio en 20 o 30 minutos.

Captores/eliminadores de desperdicios

El corte por chorro de agua abrasivo desarrolla una gran cantidad de energía: hasta 50 caballos en el boquerel de corte. Cerca del 75% de esta energía puede permanecer en la corriente de agua luego de pasar por el corte. Por eso es necesario hacer algo para frenar este chorro.

Para disipar esta energía existen tres tipos básicos de captadores:

Captadores de recinto.

Captadores de tanque.

Captadores compactos

Cada captador disipa la energía remanente de la corriente del chorro de agua abrasivo recolectando los abrasivos gastados y el material removido.

Un captador de recinto es el tipo más simple existente. Se instala un drenaje en el centro del recinto y las partes se fijan a una distancia de tres pies entre el piso y el corte. Esta solución genera una gran cantidad de ruido y de mugre.

El captador de tanque es un gran contenedor de acero posicionado permanentemente debajo de la superficie de la pieza de trabajo dentro del área útil del equipo de movimiento del AWJ. Los captadores de tanque son suministrados para aplicaciones donde la pieza de trabajo está fija y el efector final es móvil, y tiene la capacidad de realizar cortes horizontales o casi horizontales, como en el caso de la máquina tipo puente de dos o tres ejes.

Cuando se usa un captador de tanque estándar, los abrasivos utilizados y el material removido se asientan y permanecen en el tanque, mientras el agua es drenada. El tanque debe ser limpiado manualmente cada dos a seis meses, en la medida en que se vaya llenando de sólidos. Antes de que se realice esta limpieza, se requiere que el sistema sea cerrado. La frecuencia de estos ciclos de limpieza depende del grado de utilización del sistema.

Los captadores de tanque con auto-limpieza eliminan los procesos manuales y las paradas correspondientes. Estos captadores son utilizados para áreas de trabajo que varían entre las 18 pulgadas cuadradas y los 18 x 12 pies.

El sistema consiste en un tanque captador con un fondo inclinado. Este tanque es llenado con agua (y a discreción del usuario, con una capa de bolas de acero). El abrasivo sobrante y el material removido son drenados del captador. Luego, estos materiales pasan por un sistema separador de partículas en donde se remueven las partículas de abrasivo y el agua limpia se bombea nuevamente hacia el captador para asegurar un flujo continuo. Los sólidos son almacenados en canecas de 55 galones. Cualquier exceso de agua limpia es dirigido al drenaje. Cuando las canecas están llenas, son removidas y reemplazadas por una vacía sin necesidad de parar la máquina. Si el material no es tóxico, la mezcla abrasivo/material removido puede ser eliminada a través de un relleno sanitario convencional.

Los captadores compactos son pequeños contenedores llenos de un medio para la absorción de energía, que comúnmente son bolas de acero. Estos captadores son montados de tal forma que se muevan con la cabeza de corte por medio de una estructura de fijación tipo "C" y se usan fundamentalmente en mecanizado tridimensional.

Los cuerpos de los captadores compactos se diseñan de la manera más pequeña posible para que puedan funcionaren espacios reducidos. Los captadores compactos son ideales para sistemas robotizados donde se necesita una cabeza de corte de bajo perfil.

Los sistemas de recirculación de agua abrasiva de lazo cerrado ayudan a que los talleres cumplan con las nuevas leyes ambientales. Estos sistemas eliminan la descarga de agua y reducen su consumo por medio de la

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recirculación.

Estos sistemas eliminan del agua el material removido y el gránate abrasivo por medio de un avanzado diseño de filtrado, que permite separar sólidos hasta de 0,5 micras. De esta manera, el agua purificada circula nuevamente en la bomba de ultra alta presión para ser reutilizada. El sistema requiere periódicamente de un pequeño suministro adicional de agua para compensar la evaporación.

Balance

Los sistemas AWJ continúan ganando alta aceptación en la industria de máquinas herramientas, tal como lo demuestran las estadísticas al señalarlos como uno de los segmentos del mercado de mayor crecimiento. Es el caso de Flow, que tiene más de 800 instalaciones de chorro de agua abrasivo en todo el mundo, muchas de las cuales funcionan 24 horas al día, siete días a la semana. Los beneficios de versatilidad y rendimiento inherentes al AWJ anotados en este artículo, han ayudado a fortalecer su aceptación. Aunque no son necesariamente aplicables para cualquier proyecto de trabajo de metales, un sistema AWJ puede complementar o reemplazar otras máquinas herramientas que utilicen los fabricantes. En particular puede ser útil para los talleres que estén buscando expansión de nuevos mercados. En el momento de considerar la compra de una máquina herramienta, el fabricante o el taller de servicio debe examinar primero los requerimientos específicos, para así comprar el mejor equipo que se acomode a sus necesidades.

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6 - Los láseres asumen el reto de la elaboración de orificios

El mecanizado de orificios contorneados, en ángulos poco usuales y en materiales de difícil mecanizado, es posible con el novedoso sistema láser multiaxial.

Los sistemas de mecanizado por láser están respondiendo al llamado de los fabricantes para que ayuden a la reducción de costos, a la reducción del tiempo de comercialización y a la producción de nuevos diseños. Las aplicaciones y las industrias varían ampliamente, pero tienen en común la necesidad de producir piezas de una forma novedosa.

Piense en una forma rentable y repetible de mecanizar un orificio contorneado en un material duro y frágil. ¿Cómo lo hace? O tal vez usted necesita un orificio de 0,02 pulgadas (0.5 mm) de diámetro formando un ángulo de 15 grados con la superficie.

¿Qué haría usted si necesitara un orificio cónico con un ángulo de 70 grados, en una pieza de aleación gruesa y dura? ¿Cómo la produciría?

De igual manera, usted podría necesitar cientos de orificios de diferentes tamaños sobre una superficie tridimensional. Los procesos tradicionales de corte y penetración de metal pueden involucrar muchas etapas. En cualquiera de estas etapas pueden suceder errores que involucran desperdicios muy costosos, además de las pérdidas de tiempo.

Si alguno de estos problemas en la elaboración de orificios le suena familiar, tal vez es tiempo de examinar el mecanizado láser multi-axial, un proceso que rápidamente ha ganado reconocimiento en la solución de problemas de mecanizado de orificios.

El mecanizado por láser ha obtenido reputación por ser un proceso rápido y rentable para cortar materiales planos, tubulares, tridimensionales y por soldar ensambles.

Mucho menos conocida es la capacidad de los sistemas multi-axial para mecanizar formas con secciones transversales complejas en ángulos pequeños sobre la superficie, o de mecanizar formas cónicas en cerámicos a alta temperatura y en materiales exóticos. También es poco conocida su capacidad de mecanizar un cono a 45 grados en un extremo, como parte de un corte de una lámina de acero de 0,25 pulgadas de espesor.

El negocio de producir orificios difíciles y formas contorneadas ha encontrado una forma más fácil de hacerse, además de que sus aplicaciones van en aumento.

Orificios con forma de embudo en bloques cerámicos

En los cerámicos los orificios se realizan durante el proceso de fundición. También se obtienen a través del mecanizado mientras el cerámico está aún blando, o cuando no está horneado (cuando está "verde"). Como los cerámicos son muy frágiles para perforar en estado horneado, el corte y el taladrado no son prácticos. Tampoco el mecanizado por EDM (Electrical Discharge Machining) puede ser aplicado en los cerámicos ya que estos no son conductores eléctricos.

Las posibilidades de los sistemas de láser multi-axial pueden ilustrarse con su aplicación en la producción de orificios con forma de embudo en piezas cerámicas. Por ejemplo, un proveedor del fabricante de microcomputadores Intel, requirió un tipo de componente cerámico cuadrado de 1,5 pulgadas de lado por 1/8 de pulgada de espesor con perforaciones en forma de embudo de tamaños y espaciamientos muy precisos. El orificio en forma de embudo guía los pines de un chip de un microprocesador 80486 a su lugar, cuando éste es insertado en la tarjeta del circuito impreso.

Para mecanizar los orificios en el material cerámico se utilizó un Laserdyne 780 Beam Director de Lumonics Corporation. Un buen nombre para esta operación es "corte de perfil", ya que el contorno se obtiene de un ángulo constante respecto al centro del orificio para conseguir la apertura apropiada. Lo que implica este proceso es el

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enfoque del rayo láser sobre la superficie de la pieza cerámica. Cuando la energía suministrada por el láser calienta la superficie, vaporiza el material cerámico arrojándolo fuera de la entrada del orificio. Una vez iniciado el corte, el rayo láser se mueve en forma cónica para producir el angulamiento superior del orificio.

"Aunque el mecanizado por láser es a menudo considerado como la última alternativa para el mecanizado de orificios en cerámica, debería ser uno de los primeros procesos para ser tenidos en cuenta ya que puede realizar el trabajo con una precisión de más o menos 0,001 pulgadas repetitivamente", afirma Don Sanders, director del Material Processing Technology de Lumonics. Hay muchas otras razones para estudiar el mecanizado de cerámicos por el proceso de láser multi-axial: la flexibilidad, los bajos costos de mecanizado, las ventajas de productividad y la capacidad de procesamiento de pieza única.

La cantidad de accesorios necesarios para las inserciones de los pines fue pequeña (menos de una centena). La sección del programa utilizada para dirigir el láser fue hecha en menos de 30 minutos. Con el rayo láser posicionado en cinco ejes, cada pieza de trabajo fue sostenida en su sitio con una herramienta poco costosa. El manejador directo (un Beam Director) ubicó el rayo láser sobre la pieza de trabajo para producir el movimiento complejo. Como la pieza de trabajo permaneció estática durante el mecanizado, la preparación, la programación y el mecanizado fueron muy sencillos.

Orificios de enfriamiento en piezas aeroespaciales

Los componentes de motores de turbinas requieren muchos orificios de enfriamiento de formas variadas. Estos se obtienen fácilmente teniendo en cuenta la flexibilidad y el "mecanizado suave", características de un sistema de mecanizado láser multi-axial (figura 1). Los orificios pueden ser producidos en un amplio rango de formas (incluso formas distintas a las circulares son producidas fácilmente), profundidades y ángulos.

Aunque esta clase de orificios pueden ser realizados a través de electroerosionado, es necesario mecanizar y monitorear un electrodo con la forma del agujero para retirar material. El mecanizado por láser evita los costos causados por el mantenimiento de la máquina y de la herramienta en el proceso de electroerosinado. Además, el mecanizado por láser es considerablemente más rápido que el EDM y las velocidades del láser son medidas en orificios por minuto y no en minutos por orificio, como en el caso del electroerosionado.

Orificios gruesos en materiales frágiles y tenaces

Los motores de turbina estacionarios por lo general tienen numerosos componentes especialmente difíciles de mecanizar. En estos casos los sistemas de láser multi-axial también se utilizan para mecanizar formas especiales en esas piezas de trabajo. Por ejemplo, un Laserdyne Beam Director modelo 550 es usado para perforar orificios en Nimonic de una pulgada (25 mm), difícil de mecanizar usando procesos de arranque de material. Un sistema láser Nd: YAG mecaniza este duro material a un costo menor que el de los perforadores convencionales. Además, los perforadores láser proporcionan un orificio más limpio. En una aplicación típica, el sistema láser produce orificios con un diámetro de 0,060 pulgadas (1,5 mm) trepanando con un corte delgado. Cuando se termina de hacer un orificio, el material del centro cae. Para estos casos, la repetibilidad es más o menos de 0,001 pulgadas.

La perforación por láser de percusión no podría ser usada en esta aplicación porque el máximo diámetro que puede perforar un láser de este tipo con este espesor es de tan solo 0,030 pulgadas. La figura 2 compara las perforaciones de láser por trepanado y por percusión. También hay que tener en cuenta que la repetibilidad en este espesor para orificios perforados por percusión es más o menos de 0,003 pulgadas.

Orificios sin conicidad, con lados rectos y cuadrad os

La capacidad que posee el mecanizado por láser para producir exitosamente bloques laminados y herramientas de forma es ampliamente conocida. En esta aplicación el sistema láser corta un número de segmentos de la herramienta que, cuando se colocan juntos, producen la forma deseada. Recientemente, los diseñadores de herramientas han comenzado a pedir que los orificios utilizados para acoplar las piezas sean perfectamente cilíndricos (sin conicidad). Aún uno o dos grados de conicidad del borde del orificio cortado por láser influye sobre la precisión del acoplamiento de las láminas.

Las máquinas láser multi-axiales pueden producir estos orificios y obtener lados prácticamente cilíndricos. El sistema láser es programado de tal forma que la conicidad del orificio quede en el área de desecho de la pieza, como se muestra en la figura 4.. Por lo tanto, el cono se desaloja con el desecho, creando un orificio cilíndrico sin conicidad

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alguna (figura 5).

Los contornos pueden ser mecanizados sobre cualquie r borde

La mayoría de los cortes por láser se ejecutan con el rayo perpendicular a la superficie. Sin embargo, la capacidad para producir orificios puede ser usada para perfilar cualquier forma sobre el borde de una pieza tridimensional.

Es el caso de los mecanizados láser que han jugado un papel de gran importancia en la reducción del costo de producción de un alabe impulsador de turbina de vapor. El método original involucraba la inversión del proceso de fundición, además del mecanizado a cinco ejes. El mecanizado por láser multi-axial es usado para cortar un blanco plano que tiene las inclinaciones correctas a lo largo del borde. El blanco es moldeado para producir la forma final. Para este caso, la trayectoria tridimensional que dirigió el movimiento complejo del láser multi-axial fue generada por programación fuera de línea en un sistema CAD/CAM. La salida CAM fue postprocesada para convertirla a EIA RS274 (códigos G y M), lenguajes estándares usados para el control del sistema láser.

Flexibilidad en el tamaño, ángulo y profundidad de los orificios

Virtualmente, no hay limitaciones para las posibilidades en tamaño, forma y ubicación del orificio, para mecanizar con el láser multi-axial. Con la capacidad de controlar la entrada de calor en el proceso láser, el diseñador ahora posee la posibilidad de reducir el tamaño y el espacio de las formas de la pieza. Así mismo, el fabricante puede producir una pieza con un gran número de orificios próximos en altos volúmenes.

Otra ventaja del proceso por láser es la habilidad de producir orificios, en donde la relación diámetro/espesor es alta, usando perforación por percusión o por trepanado. Por ejemplo, un orificio de 0,06 pulgadas de diámetro puede ser perforado en una aleación de alta temperatura con una pulgada de espesor. Esta relación diámetro/espesor es posible, además de que consigue muy buenos resultados, con una repetibilidad de pieza/orificio de más o menos 0,001 pulgadas (0,025 mm).

Ha llegado una tecnología de empuje

La producción de orificios y formas complejas con el sistema láser multi-axial no es difícil de entender. Es una tecnología que puede ser empleada en casi cualquier taller de mecanizado, con la misma preparación o habilidad requerida por cualquier otro sistema de mecanizado o máquina herramienta. El mecanizado láser multi-axial no solamente resuelve problemas, también proporciona muchas posibilidades. Los fabricantes que están buscando herramientas más competitivas en su arsenal productivo, deberían ver otras posibilidades dentro del mecanizado de orificios, como el caso del mecanizado por láser multi-axial.

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7 - Tecnología en prensas En la arena de las prensas mecánicas, la tecnología de prensas en C ofrece alternativas a las prensas de lados rectos en la producción con matrices progresivas o de transferencia.

Un porcentaje muy alto de los estampados producidos en matrices progresivas pueden ser fabricados satisfactoriamente utilizando una o múltiples prensas en C (tipo gap). Muchos factores están involucrados en la determinación de cuándo una prensa en C es una alternativa válida para producción progresiva o de transferencia.

1. Espesor y ancho del material de la pieza . Las matrices que producen piezas a partir de materiales muy delgados tienen ajustes bastante precisos entre el punzón y la matriz. Esto obliga a utilizar una prensa con especificaciones de precisión que no son corrientes en la mayoría de las prensas en C. Por otro lado, las piezas producidas utilizando materiales muy gruesos exceden rápidamente la capacidad de carga de la mayoría de las prensas en C. El ancho del material está limitado por el espacio disponible desde el frente hasta atrás de las camas de las prensas en C.

2. Tamaño de las piezas . Las piezas grandes como los componentes de carrocerías de automóviles, carcasas de electrodomésticos, entre otras, no pueden ser producidas en prensas en C ya que exceden el tamaño de las camas disponibles.

3. Tonelaje requerido para producir la pieza . Operaciones de producción de blancos de alto tonelaje o aquellas piezas que requieren sólo unas pocas operaciones pero de gran tonelaje, no son buenas candidatas para las prensas tipo C debido a las limitaciones de tonelaje de una máquina individual.

4. Requisitos de carrera de la prensa . Como las prensas en C tienen una máxima longitud de carrera de 12", la profundidad de las piezas trabajadas no puede exceder las 4", aproximadamente. Una pieza de un tamaño superior elimina la posibilidad de automatización del movimiento de las piezas.

5. Área de cama . Aunque hay disponibles áreas de cama de 96", de derecha a izquierda, en las prensas en C las dimensiones de frente/atrás tienden a ser bajas. Por tanto, esto limita el tamaño de la matriz que puede ser montada.

6. Velocidad de producción . Las exigencias de volumen podrían determinar velocidades de operación que excedan las disponibles en prensas tipo C.

7. Exactitud de las piezas . Las restricciones en tolerancia de las piezas que se van a producir pueden ser tan exigentes, que las prensas en C no puedan satisfacerlas. Como la prensa en C es una máquina de propósito múltiple, la exactitud con que es fabricada limita su habilidad para producir piezas con exigencias de tolerancia muy ajustadas.

8. Costo del herramental . El costo del herramental progresivo, es casi el mismo si se trabaja en una prensa en C o en una de lados rectos. Sin embargo, el herramental para operaciones de transferencia es sustancialmente menos costoso para una prensa en C que el requerido para una prensa dedicada de transferencia, de lados rectos.

9. Consideraciones financieras . Cuando se compara con una prensa dedicada de transferencia de lados rectos o con prensas de matrices progresivas, la opción de la prensa en C puede reducir la inversión inicial de capital en 50%.

La selección de prensas en C para operación con matrices progresivas es un poco menos complicada que la selección de prensas para producción con matrices de transferencia (figura 2). Las operaciones con matrices progresivas siempre son realizadas utilizando una sola prensa, mientras que las de transferencia pueden y a menudo incorporan prensas múltiples, de diseño de uno o dos puntos y con capacidades de carga variables. Los parámetros para el trabajo con matrices progresivas en prensas tipo C están mejor definidos; la máquina más grande disponible tiene una capacidad de 250 toneladas, la carrera máxima es de 12" y la cama más ancha tiene aproximadamente 96" de izquierda a derecha. La materia prima usada para producir el estampado debe ser por lo menos de 0,020 pulgadas de espesor y no más de ocho a diez pulgadas de ancho. Si se trabaja dentro de estos parámetros, es posible llevar a cabo operaciones exitosas con matrices progresivas, en prensas tipo C.

Las operaciones de transferencia pueden ser realizadas en una sola prensa C de suspensión de dos puntos (figura 3) o en una celda de múltiples prensas, donde se agrupan máquinas de uno o dos puntos de suspensión para proporcionar una capacidad total de 1.000 toneladas, o más, y un área de cama de 20" o más.

La transferencia de piezas y la automatización de prensa a prensa se han mejorado sustancialmente en los últimos años y ahora es posible lograr velocidades de ciclo muy cercanas a las de las prensas de transferencia dedicadas. Como en las operaciones con matrices progresivas mencionadas antes, el espesor del material de base y el ancho

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son consideraciones importantes cuando se trabaja con prensas en C.

La deflexión angular de las prensas en C (figura 4) bajo carga es la razón más comúnmente expuesta al seleccionar una prensa de lados rectos, en lugar de una en C. Esta es una consideración básica y es la razón por la que el espesor del material y el ancho de la pieza son tan importantes cuando se usan prensas en C. También se debe consultar al fabricante de prensas para determinar cuales máquinas tienen pequeña deflexión angular bajo carga máxima. Esta debe estar definida en milésimas de pulgada por pulgada de ancho de la garganta y debe estar soportada por datos experimentales reales. Si el fabricante no puede suministrarle gráficas de deflexión o producir datos de ensayos como soporte, entonces busque la prensa en otra parte.

Cuando una prensa tiene una deflexión angular baja y la materia prima es de 0,020" de espesor o mayor, es muy pequeña la posibilidad de que un punzón generador de blancos o de perforación pueda dañar la matriz, ya que la tolerancia entre macho y hembra será mayor que el movimiento del punzón debido a la deflexión angular. De la misma manera, si se van a realizar operaciones de estampado de formas o de tipo moneda, entonces, limitando el espesor de la materia prima o el ancho de la pieza que va a ser transferida, se minimizarán las variaciones dimensionales causadas por la deflexión angular.

La protección hidráulica de sobrecargas (HOLP- hidralulic overload protection) es una característica clave cuando se va a comprar una prensa. Un sistema HOLP efectivo reduce los costos operacionales activándose cuando una herramienta pierde filo, con lo que se elimina la posibilidad de producción de piezas malas. El tiempo de recuperación para reactivar el sistema después de la sobrecarga toma sólo unos segundos de tal manera que el tiempo de parada y recalibración se reduce significativamente.

Además de ofrecer un tiempo de respuesta rápido, un sistema HOLP debe ser ajustable para acomodarse a operaciones en las que el tonelaje requerido es considerablemente inferior a la capacidad de la prensa. Ya que la mayoría de las matrices no se trabajan a esta capacidad máxima, el HOLP debe ofrecer la capacidad de reducir el punto de bloqueo a 60% de la capacidad de la prensa, protegiendo de esta manera las matrices y la prensa misma. Un tiempo de respuesta rápido también incrementará la oportunidad de proteger la matriz y la prensa.

Un embrague húmedo es otra característica que debe ser considerada cuando se adquiere una prensa tipo C. El embrague húmedo permite altas velocidades de carreras simples en prensas tipo C, operadas manualmente o automatizadas (figura 5). El volumen de aire utilizado en cada carrera de una prensa tipo C equipada con embrague húmedo es reducido en 50% o más, si se compara con el de una prensa con embrague de fricción. Los fabricantes también deben estar en capacidad de proporcionar piñones y coronas para el sistema principal, endurecidos y rectificados (un beneficio que reduce el juego posterior y el mantenimiento, aumentando la vida de los piñones).

La razón más importante para seleccionar una prensa tipo C sobre una de lados rectos, es su costo. Cuando se compara el costo de una prensa tipo C con el de una de lados rectos de igual capacidad, el precio de la tipo C será de menos de 50% del precio de la de lados rectos. Aún el precio de venta de una celda de prensas múltiples con transfers y automatización entre prensa y prensa, será la mitad del de una prensa transfer de lados rectos.

La próxima vez que piense adquirir prensas nuevas para fabricar piezas con matrices progresivas o de transferencia, dé una mirada de cerca a las prensas tipo C. Es posible que al final necesite una prensa de lados rectos. En algunas ocasiones las exigencias van más allá de las posibilidades de las prensas tipo C, pero es probable que pueda funcionar y en este caso se ahorrarán grandes cantidades de capital.

Por más de ochenta años, Aida ha trabajado para convertirse en constructor global de la más completa línea de prensas para conformado y estampado en la industria. Hoy las innovaciones tecnológicas de Aida y sus estándares de calidad han convertido a la compañía en un gran proveedor de soluciones efectivas de estampado, paquetes totalmente llave en mano e innovaciones tecnológicas no tradicionales. Las prensas Aida son utilizadas para fabricar un amplio rango de piezas, que incluyen componentes automotrices, piezas para electrodomésticos, componentes eléctricos y electrónicos, conectores y terminales, laminados para motor y latas para comida y bebidas. Aida cuenta en el mundo con más de 1 ¼ de millones de pies cuadrados de espacio de manufactura, más de mil asociados y una capacidad de fabricación que excede las 1.500 prensas por año, lo que hace de Aida uno de los más grandes fabricantes de prensas en el mundo.

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8 - Herramental para punzonadoras de torreta

El herramental es un eslabón clave de la fabricación en lámina. Actualmente, los talleres dedicados a este rubro tienen mucha presión debido a las grandes demandas de trabajo por parte de sus clientes. Chris Koepfer muestra qué hay de nuevo en herramental para punzonadoras de torreta.

Desde sus comienzos, en los principios de los cincuenta, la prensa punzonadora de torreta ha evolucionado para convertirse en una herramienta versátil y vital para los talleres de fabricación en lámina.

Paralelamente al desarrollo tecnológico de la prensa de torreta han estado las herramientas que son las que hacen el trabajo en la lámina. El motor del desarrollo de las herramientas ha sido la demanda de los talleres de fabricación en busca de mayor productividad de los recursos existentes.

El taller de fabricación en lámina, como casi todos los negocios metalmecánicos, está enfrentado a una presión aparentemente implacable en sus márgenes de utilidad. Clientes de todas formas y tamaños están blandiendo con furia el hacha de los costos de corte. Y los talleres de fabricación están firmes en el camino.

Para averiguar cómo el herramental de las prensas de torreta ayuda a los talleres de fabricación a mejorar su productividad, consultamos a Ken Herried, especialista de mercadeo de Wilson Tool. Wilson es un fabricante líder de herramientas de punzonado para la mayoría de los fabricantes de prensas de torreta del mundo.

Fundamentos de las herramientas de punzonado

El herramental para una prensa de punzonado está compuesto de un punzón, un troquel y un pisador. El punzón está localizado en un mecanismo de guía, que se fija en la torreta (en prensas de torreta). Las torretas sostienen una variedad de herramientas y las posicionan para ofrecer diferentes punzones en la zona de trabajo de la máquina.

Cada punzón tiene su correspondiente troquel que está colocado debajo de la mesa de trabajo de la máquina. El tamaño y forma del orificio creado en la lámina está definido por la geometría del punzón. La holgura entre el punzón y el troquel es ajustada de acuerdo con el espesor del material.

Cuando la punzonadora actúa, un carnero desciende haciendo que el punzón golpee el material, creando un recorte. El troquel está diseñado de tal manera que el recorte pueda pasar a través de él. El pisador sostiene en su lugar la lámina de metal mientras el punzón se retira totalmente de la lámina.

La mayoría de las herramientas para punzonado de lámina utilizadas actualmente en los talleres son autoprensantes. En lugar de utilizar el carnero para empujar el punzón a través del material y luego sacarlo, estas herramientas están construidas con un resorte interno que automáticamente retrae el punzón. Así, el carnero sólo tiene que trabajar en una dirección. Esto economiza tiempo de ciclo y desgaste en la prensa.

Motores de desarrollo

La mayoría de las más recientes mejoras en tecnología de punzonado CNC han estado orientadas a mejorar la productividad. Mientras mucho esfuerzo ha sido dirigido a hacer que las máquinas sean más rápidas, reduciendo así el tiempo de ciclo, se han hecho otras consideraciones buscando ahorros en tiempo a través de todo el proceso de fabricación en lámina.

Estas innovaciones han sido exigidas por los talleres. Los fabricantes de equipo original están respondiendo a las demandas de sus clientes relacionadas con la respuesta más rápida a las órdenes, especificaciones con tolerancias más ajustadas y entregas coordinadas con sistemas de control de inventarios justo a tiempo.

Además, los avances en la simplificación de la manufactura de lámina delgada, con el uso del CNC y de sistemas de programación más amigables, han colaborado al incremento de operarios calificados. Muchas de las habilidades que tradicionalmente se requerían para alistar y operar prensas de punzonado han sido incorporadas al software y al

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hardware que son diseñados para simplificar la operación.

Botón pulsador de ajuste

En el área de alistamientos, la invasión de herramental ha proporcionado significativas mejoras en la producción de los talleres de fabricación en lámina, al reducir la complejidad del alistamiento de herramientas. El control simplificado de la longitud de la herramienta es una mejora técnica en el diseño de herramientas que ha tenido impacto en el alistamiento de las herramientas de punzonado.

Parte del procedimiento de alistamiento de una prensa de torreta para punzonar tiene que ver con la calibración del recorrido del punzón. Esto es especialmente crítico cuando se instala un punzón que acaba de ser afilado.

El rectificado del punzón remueve metal modificando su longitud total. Para compensar esto, se utilizaban calzos en el dispositivo de guía del punzón con el fin de devolverle a la herramienta su longitud óptima. Este proceso, obviamente, consume tiempo.

En las herramientas actuales, la compensación del punzón es algo mucho más simple. Estas nuevas herramientas utilizan un sistema de ajuste de botón pulsador. Incrementos finos de 0,0001" eliminan la necesidad de utilizar calzos y hacen que el alistamiento de la herramienta sea rápido y consistente.

Para la platina del pisador, en lugar de requerir tornillos u otro tipo de fijadores para soportarla en la guía, un sistema de fijación de botón pulsador es usado para asegurarla en el dispositivo de la guía. Esto elimina la necesidad de herramientas de instalación. Además, junto con el ajuste sin calzos, puede disminuir el tiempo de alistamiento hasta en quince minutos por herramienta. Para una máquina de 30 herramientas, esto es significativo.

Vida de la herramienta

El proceso de punzonado genera calor. Hay fricción entre el punzón y el dispositivo de la guía cuando el punzón se mueve en sus bujes. Las modernas prensas de punzonado permiten hasta 1.000 ciclos por minuto.

La mayoría de las prensas están equipadas o tienen disponible un sistema automático de lubricación. Éste suministra una mezcla de aire a través de orificios en el dispositivo de guía para lubricar las partes móviles de la herramienta. Esto aumenta considerablemente la vida de las piezas sometidas a desgaste dentro de la herramienta para punzonar.

Aplicar recubrimientos al punzón es otro método utilizado por los fabricantes para obtener una mayor vida de una herramienta. La dureza y la suavidad son claves para una vida mayor y generalmente se obtienen con recubrimientos de carbonitruro de titanio (TiCN).

Utilizando este recubrimiento, es posible obtener durezas hasta de 90 Rc. Gracias a su geometría, las herramientas recubiertas pueden ser reafiladas sin perder su dureza.

Otra propiedad de los recubrimientos de TiCN es que su suavidad ayuda a su lubricación. Esta característica es muy apetecida en aplicaciones donde el aceite es considerado un contaminante. Talleres que fabrican piezas para procesamiento de alimentos o piezas que deban ser pintadas o recubiertas prefieren que no tengan una película de aceite.

Haciendo más

Los talleres siempre están en la búsqueda de más y mejores maneras para incrementar la productividad de sus operaciones de fabricación en lámina delgada. Las herramientas combinadas hicieron posible la aplicación de la tecnología CNC y son la tecnología que ha extendido la productividad de las prensas punzonadoras de torreta.

Estos grupos de herramientas (literalmente, una torreta dentro de la torreta) pueden ser programados para indexar en la posición de punzonado y ser calibrados para proporcionar 360° de libertad de movimiento para la orientación de la punta del punzón. Una estación simple de herramientas en una torreta puede poner efectivamente en operación varias herramientas sin necesidad de posicionar la torreta.

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El trabajo en tres dimensiones es otro avance en aplicaciones para la fabricación en lámina metálica. Los talleres utilizan cada vez más la prensa punzonadora de torreta para crear formas 3D en la pieza de trabajo, que tradicionalmente debían ser estampadas en una operación secundaria.

Para hacer piezas 3D en una prensa punzonadora de torreta, la forma levantada debe ser creada hacia arriba o retirándose de la mesa de trabajo. Como la lámina es manipulada debajo de la torreta, un elemento 3D podría crear interferencia.

Por tanto, cuando se están creando formas 3D en una prensa de punzonado, la relación entre el troquel y el punzón es invertida. Un elevador hidráulico localizado debajo del troquel es operado para levantarlo hacia el punzón. La altura total de conformado es generalmente alrededor de media pulgada, medida desde la parte superior de la lámina metálica hasta la parte superior de la pieza.

Aunque la altura de las formas que pueden ser producidas en una prensa punzonadora de torreta es limitada, la capacidad proporcionada por la máquina y la herramienta es una ayuda a la productividad del taller. Si es posible fabricar piezas complejas y relativamente altas en una prensa punzonadora, y esto representa un paso menos en la manufactura, el taller debe considerar esta posibilidad.

Una idea rodante

En los últimos años, la herramienta de rueda ha probado ser una adición al arsenal de herramientas del fabricante en lámina. Está diseñada para trabajar en una prensa punzonadora de torreta, pero a diferencia de otras herramientas, no es un punzón.

En su lugar, una cuchilla giratoria, no muy diferente a un cortador de pizza, se monta en la torreta de la máquina y se mantiene hacia abajo en posición con el carnero hidráulico. También es necesario utilizar un troquel que se coloca en su posición usual debajo de la lámina de metal.

Esta herramienta corta lámina de metal a la velocidad máxima de avance transversal de la máquina. Para operaciones de corte, la herramienta circular corta tan rápido como la lámina pueda ser halada bajo el cortador por la prensa de punzonado.

Adicionalmente al corte, se han desarrollado una variedad de aplicaciones diferentes como el conformado de líneas para el posterior corte de láminas, el rolado de costillas integrales para dar rigidez, o el rolado para crear salientes. Utilizada en conjunto con una estación de herramientas autoindexada, la rueda puede ser usada para cortar formas y contornos.

La rueda puede cortar huecos de grandes diámetros en láminas de aluminio de espesores hasta de 0,092", sin la necesidad de una cortadora reciprocante. Un nuevo diseño de estas herramientas también permite su utilización en prensas mecánicas de punzonado. Como el mecanismo de un bolígrafo, el carnero desciende la herramienta en un golpe y la levanta en el siguiente cuando el corte ha sido terminado.

Otras tendencias

La prensa de punzonado continua su evolución en términos de velocidad y potencia y el desarrollo de herramientas se mueve en línea con estas innovaciones de máquina. Máquinas de mayor tonelaje le permiten a los tallerespunzonar láminas más gruesas. Herramientas de trabajo pesado con mayor desplazamiento del punzón pueden ser usadas en materiales hasta de 0,5" de espesor.

La velocidad también es una consideración para el taller y las innovaciones, como el troquel aprisionador de recortes de Wilson, hacen que los talleres puedan trabajar más rápido. En este troquel, pequeños topes en el borde interior del troquel se encargan de retener el recorte punzonado para que no salga disparado del troquel a alta velocidad.

Las herramientas progresivas son una innovación que le toma ventaja a la capacidad de la prensa de punzonado de torreta. Una estación simple de herramientas combinadas puede ser usada para realizar una operación de punzonado de múltiples pasos que tradicionalmente habría tenido que ser hecha con una prensa de estampado.

En general, las innovaciones y avances en la tecnología de máquinas y aplicaciones de herramientas están creando un mejor fabricante. Esto es bueno para el taller y bueno para la industria.

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9 - Protección hidráulica contra sobrecargas

Este sistema que monitorea las condiciones de sobrecarga en prensas mecánicas se ha convertido en un guardián silencioso en los procesos de troquelado.

¿Qué es el HOLP?

Hydraulic Over Load Protection (HOLP) es un sistema que monitorea las condiciones de sobrecarga en una prensa mecánica y libera la presión hidráulica en un cilindro colapsable, permitiendo así que el carro de la prensa sea empujado hacia arriba debido a la presión de la sobrecarga. El propósito principal de este sistema es prevenir que la prensa sufra cualquier daño debido a una sobrecarga. Esta es una característica estándar en las prensas modernas bien diseñadas.

¿Qué más hace este sistema? Además de proteger los componentes de la prensa, el HOLP puede ayudar a proteger los troqueles; parar la operación de la prensa cuando se presentan condiciones peligrosas en el troquel; liberar el carro de la prensa cuando este se atora en el punto inferior del ciclo de la carrera. Además, identifica cuándo es necesario afilar un troquel, reduce la tolerancia en las conexiones e identifica cargas fuera de centro.

¿Dónde se puede encontrar? El HOLP casi siempre se localiza en la parte inferior de la conexión de la transmisión. Cuando se registra una sobrecarga, la parte superior del sistema HOLP permanece fija, mientras que la porción inferior queda libre para permitir que la fuerza de la sobrecarga se libere (Figura 1 ).

Figura 1

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¿Por qué se necesita? Su prensa constituye una gran inversión con un largo plazo de recuperación y en la mayoría de los casos es operada por personas con poco entrenamiento. La sobrecarga puede ser causada por un error no intencional o por una modificación no notificada en el troquel o en el material. Sin el HOLP la sobrecarga puede causar un gran daño a la prensa, en su estructura, bielas, engranes o en el embrague. Las sobrecargas no tratadas con un HOLP eficaz dan como resultado una prensa poco precisa y con una vida útil menor. Pero aún, reparar una prensa dañada por una sobrecarga es muy costoso, además de que, por el tiempo de producción perdido, se reducen sus ganancias y se puede, incluso, perder clientes. Un HOLP eficaz permite una protección automática que evita paros en la producción a causa de sobrecargas.

Adicionalmente, el HOLP permite un método rápido y fácil para liberar el carro de la prensa cuando este se atora en el punto muerto inferior de la carrera. Esto puede suceder fácilmente si la altura del troquel (shutheight) no se ha ingresado correctamente, lo cual ocurre, por lo general, durante el ajuste de troqueles.

¿Qué ocasiona la sobrecarga?

Hay muchas razones, entre las que destacan:

- Establecer la altura del troquel (shutheight) muy abajo. - Utilizar un troquel que requiere mucho tonelaje respecto de la capacidad de la prensa. - Restos de material en el troquel. - Mala alimentación o dobleces en el material. - Desgaste del troquel. - Mal posicionamiento del troquel. - Utilizar el material incorrecto. - Variaciones en la dureza o el espesor del material.

Es importante recordar que la sobrecarga de una prensa puede ocurrir sólo en una de las conexiones de la prensa y no en las demás. De hecho, esta es la condición de sobrecarga más común. El tonelaje total requerido por el troquel no es la única medida. Por ejemplo, un troquel de 400 toneladas provocará sobrecarga en una prensa de 400 toneladas de dos conexiones, si más de 200 toneladas de la carga del troquel están bajo una de las conexiones (Figura 2 ).

Figura 2

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¿Qué tipos de HOLP existen?

Los sistemas HOLP pueden ser fácilmente diferenciados de acuerdo con el sistema de mecanismo de actuación utilizado. Hay varios métodos básicos: Válvula de retención. Este es el método más antiguo y barato, en el cual la válvula se abre cuando la presión excede un determinado límite, y permite la salida del aceite. Simple en cuanto a diseño, su rendimiento es poco confiable (Figura 3 ).

Figura 3 - Es difícil de ajustar con precisión. - Es lenta para reaccionar. - Debe liberar la cavidad del aceite a través de una pequeña hendidura. - Puede ser difícil activar las unidades HOLP simultáneamente en una prensa de varias conexiones. - Propenso al goteo mientras más se acerca al punto de activación, causa poca rigidez en el sistema. Válvula solenoide. Es el método más común. Este sistema utiliza una válvula solenoide para abrir una línea de drenaje cuando se excede el límite de la presión del aceite (Figura 4 ). El sistema obedece a un sensor de presión en la válvula o una señal de un monitor electrónico de carga. El sistema de válvula solenoide es más rápido que el de válvula de retención, también es mas preciso; normalmente, no gotea si los empaques son mantenidos de forma

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adecuada, y puede manejar sobrecargas simultáneamente en todas las conexiones. El inconveniente es que este sistema, de todos modos, tiene que drenar el aceite por un orificio pequeño, lo cual hace su respuesta bastante lenta.

Figura 4 Válvula directa. El sistema HOLP de Aida utiliza un método directo con una válvula de asiento integrada a la conexión. La detección de la sobrecarga y la liberación del aceite suceden alrededor (360°) de la base de la conexión por bola, eliminando sensores externos, líneas de drenaje y orificios restrictivos (Figura 5 ). Este método ofrece la reacción más rápida de todos los tipos de HOLP.

Figura 5

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Su diseño es el más adecuado para prensas de varias conexiones. La unidad de HOLP en las prensas Aida se localiza en la parte inferior de las conexiones, dentro del carro (Figura 6 ). Está sellada para prevenir contaminación de líquidos y partículas externas.

Figura 6

¿Qué sucede con la sobrecarga si no se cuenta con e l HOLP?

Sin el HOLP, una prensa que sufre sobrecarga puede presentar estiramiento en los tie rods o en las columnas, pandeo en la flecha de la transmisión, daño por trituración en los engranes, rotura del pasador o tornillo de ajuste de la conexión, grietas en la cama, el carro o la corona, o daños en el embrague. Aun cuando la prensa aguante una sobrecarga sin daños inmediatamente visibles, sus tolerancias se pueden haber modificado y perdido el paralelismo. Si la sobrecarga ocurre en una sola conexión en una prensa de varias conexiones, las correderas del carro se pueden dañar por la inclinación que sufre el carro.

¿Pueden las tuercas hidráulicas de los tie rods actuar como HOLP?

No. Las tuercas hidráulicas del tie rod facilitan el ensamble de la prensa evitando el antiguo, largo y poco preciso proceso de calentar y enfriar los tie rods. Dichas tuercas no son un método efectivo ni deseable de protección contra sobrecargas. De cualquier modo, pueden ser útiles para liberar el carro atorado en el fondo de la carrera en una prensa que no tiene HOLP.

¿Se puede instalar un sistema HOLP a una prensa que no lo tiene?

Para obtener un mejor rendimiento y resultados, el sistema HOLP debe integrarse en la conexión de la prensa durante su diseño y construcción. Estos sistemas no son sencillos ni fáciles de instalar en prensas que originalmente no fueron diseñadas para ellos. Por lo regular, no se intenta adaptar un sistema HOLP en una prensa que no fue diseñada con este.

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¿Qué tipo de HOLP es el mejor?

El mejor sistema HOLP es el que responde y deja escapar el aceite más rápidamente. La válvula directa de Aida es la más rápida en reaccionar a una sobrecarga y con el sistema de drenaje más rápido en el mercado.

¿Qué tan importante es la velocidad en el HOLP?

La velocidad es realmente un factor crítico en muchos sentidos.

Como la sobrecarga ocurre en situaciones dinámicas con el carro en movimiento hacia abajo, cualquier retraso en percepción de la sobrecarga permite que el carro se acerque más a la parte inferior de la carrera, incrementando así la sobrecarga. Mientras más rápida sea la percepción de la sobrecarga, más rápido se llevará a cabo la liberación de aceite del HOLP.

La velocidad con que el aceite de la cámara del HOLP se libera en una sobrecarga, también es crítica. Si el aceite se libera rápidamente de la cámara, el carro tendrá mayor espacio para avanzar hacia abajo mientras frena, sin incrementar la carga. Si la cámara no se vacía lo suficientemente rápido, la fuerza de la sobrecarga se incrementa mientras el carro continúa su movimiento hacia abajo, aunque el sistema HOLP haya sido activado.

Además, en una prensa de varias conexiones, la sobrecarga normalmente ocurre en una conexión y no en todas al mismo tiempo. Aunque esto suceda, todas las conexiones deben activar su HOLP y liberar el aceite de la cámara simultáneamente para evitar que el carro de la prensa se incline y pierda su paralelismo.

¿Puedo salvar mi troquel? Posiblemente. El objetivo principal del HOLP es proteger a la prensa de la sobrecarga y, dependiendo de varias condiciones, salvar el troquel. Para aumentar sus posibilidades de salvar troqueles durante sobrecargas, asegúrese de tener el sistema HOLP más rápido.

¿Que es 'desatascado' o unstick? El carro de la prensa se atora en la parte inferior de la carrera cuando se topa con el material a estampar con poca fuerza, energía o torque del embrague para completar la carrera o ciclo. La máquina cruje y se para con los punzones todavía en el material. Como el carro está comprimido contra el troquel y la cama, el embrague puede no tener suficiente torque para mover el carro en cualquier dirección. Esto sucede con mayor frecuencia durante el ajuste de los troqueles, cuando la velocidad del golpe es muy lenta para permitirle a la prensa generar su máxima energía.

En prensas antiguas de lados rectos que no cuentan con el HOLP, generalmente se tienen que calentar los tie rods para liberar la tensión y avanzar el carro atorado. Este es un proceso largo y laborioso que mantiene a la prensa fuera de producción mientras los tie rods se enfrían para recuperar la tensión. El uso de tuercas hidráulicas elimina la necesidad de calentamiento en los tie rods, pero se requiere aflojarlas para liberar la tensión de los mismos, lo que podría afectar el alineamiento del armazón de la prensa cuando sean apretadas nuevamente. Como una prensa tipo 'C' no tiene tie rods, desatorar un carro en una prensa sin HOLP normalmente requiere el uso de un soplete para cortar el troquel o algún componente de la prensa. Esto resulta en reparaciones muy caras del troquel o de la prensa, y significa pérdidas sustanciales en la producción (Figura 7 ).

Figura 7

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En una prensa moderna con un sistema HOLP, liberar el carro atorado en la parte inferior de la carrera implica presionar el botón de 'desatascar', drenando rápidamente la cámara del HOLP. La presión del carro es liberada y este puede desatorarse sin problema. La prensa reanuda su producción tan pronto se resuelva la causa de la sobrecarga.

¿Cuánto rango de avance tiene? El rango de viaje del sistema HOLP varía entre los tamaños de las prensas. Como la mayoría de las sobrecargas sucede cerca de la parte inferior de la carrera, el rango de viaje del HOLP debe ser el menor posible. El factor más importante es la velocidad de respuesta del sistema HOLP.

¿Cómo se pueden comparar los sistemas HOLP? La forma más simple de hacer una comparación es determinando cuántos grados de avance hay en el ángulo de rotación del cigüeñal, desde que se detecta la sobrecarga y hasta que la presión del HOLP llega a cero. Una comparación típica se muestra en la Figura 8 , donde dos prensas fueron sobrecargadas en el mismo punto de la carrera. Esta ilustración muestra el valor de un HOLP más rápido. En las mismas condiciones, el HOLP de Aida libera la presión en 10 milisegundos, permitiendo sólo 4° de rotación del cigüeñal. La válvula solenoi de --utilizada con frecuencia en sistemas HOLP convencionales-- requiere 70 milisegundos o 28° de rotación para ll egar a presión cero en las mismas condiciones. El sistema HOLP de Aida fue exitoso en liberar la sobrecarga cuando el carro de la prensa aún viajaba hacia abajo, previniendo a la prensa de cualquier daño. El sistema convencional --más lento-- le permite al carro viajar en el fondo de la carrera antes de eliminar la presión, lo que es peligroso para la prensa y el troquel.

Figura 8

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Se puede hacer un análisis más detallado comparando las curvas de carga que ocurren durante el ciclo de activación del HOLP. Una gráfica típica se encuentra en la Figura 9 . Como el HOLP de Aida no depende de una válvula solenoide de alivio, empieza a soltar presión cuando percibe una sobrecarga hasta llegar a presión cero en 10 milisegundos. El sistema convencional HOLP, más lento, permite que la presión se incremente hasta que finalmente drena suficiente aceite para liberar a la prensa. La diferencia en la velocidad de activación del HOLP puede significar la diferencia entre una producción continua y una prensa o troquel dañado.

Figura 9

¿El HOLP funciona con la transmisión tipo 'Link'?

El sistema HOLP es más efectivo en una prensa que cuenta con movimiento Link que en una prensa convencional de cigüeñal. Debido a que el carro de una prensa con movimiento Link viaja 35% más despacio cerca del fondo de la carrera, este recorre menor distancia durante la activación del HOLP y significa que el aumento de la fuerza de la sobrecarga será más lento que en una prensa convencional, dando al HOLP mayor tiempo para funcionar y minimizando la probabilidad de que ocurra un daño.

¿El HOLP es ajustable? Sí. Normalmente, viene preajustado de fábrica y permanece así, usualmente 110% de la capacidad nominal de la prensa dividida entre el número de sus conexiones. Quines requieren cambios frecuentes en el ajuste del HOLP, pueden pedir que su prensa sea fabricada con la opción de HOLP ajustable.

¿El HOLP se puede hacer 'holgado'? Un diseño inapropiado o un pobre mantenimiento del HOLP puede hacerlo holgado o poco rígido por varias razones:

- Si se emplea una válvula de retención activada por resorte; este último se debilita con el uso y permite fugas de

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aceite cuando la carga aumenta aunque no haya ocurrido ninguna sobrecarga.

- Un mal ajuste en la válvula de retención o fugas, en una válvula solenoide, puede provocar un sistema 'holgado'.

- Si la presión del aceite en la cámara del HOLP no es mantenida al nivel adecuado, puede causar poca rigidez del sistema contra sobrecargas. Esto puede deberse a problemas en la bomba o a alguna fuga de aceite en la cámara. - Si el aceite en la cámara de la sobrecarga contiene aire, el sistema estará 'holgado'.

El sistema HOLP de Aida, diseñado como un sistema sellado con una válvula directa, no tiene válvulas de retención o sellos que se debiliten o fallen. Como el sistema está sellado es difícil que le entre aire. Esto elimina la posibilidad de que el sistema HOLP de Aida se vuelva 'holgado'. De hecho, como una forma de protección adicional, el sistema Aida está diseñado para soltar presión si llegara a estar 'holgado', a fin de que la prensa no sea operada mediante un movimiento del carro no paralelo con respecto a la mesa. ¿Cuánta presión mantiene? El sistema HOLP de Aida mantiene una presión de 5 kgf/cm_ (71 psi). La presión del sistema empuja hacia arriba el asiento de la bola (de la conexión) para mantenerlo en contacto contra la parte superior de la cámara de aceite, haciendo un sello 'metal contra metal’ (Figura10 ).

Figura 10

¿Cómo se restablece el sistema HOLP? Restablecer el HOLP después de una sobrecarga es muy sencillo. Cuando este se activa, la prensa se detiene. Luego, simplemente se lleva el carro al punto superior de la carrera y el HOLP automáticamente se reactivará en menos de un minuto. Elimine la causa de la sobrecarga y continúe con la operación de la prensa.

Después de la sobrecarga, ¿el carro pierde su paralelismo? No. En las prensas Aida con más de una conexión, el sistema HOLP de cada conexión está interconectado con el resto, así que todas liberarán el aceite al mismo tiempo cuando se detecta una sobrecarga en cualquiera de las conexiones.

Este sistema, único en la industria, no sólo es el más rápido en activarse sino también el más confiable porque no tiene empaques ni componentes electrónicos que haya que mantener o que fallen. Está integrado al asiento de la bola de la conexión. La válvula tiene un diámetro grande con un sello de metal/metal, que facilita una salida casi instantánea de aceite a través del total de 360° de circunferencia.

El HOLP de Aida ha sido probado en campo, dando una protección automática sin problemas durante muchos años en más de 10.000 prensas en todo el mundo. Mientras que todos los diseños de prensas incluyen alguna forma de protección contra sobrecargas, Aida ofrece uno de los sistemas HOLP más eficientes disponibles en la actualidad.

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10 - Electroerosionado de hilo Este sistema de corte es utilizado para trabajos de alta precisión. Dependiendo de la aplicación deseada, se debe escoger el hilo apropiado para obtener un mayor rendimiento en el taller.

Desde su lanzamiento a finales de los años sesenta, el EDM (Electrical Discharge Machining) constituyó una tecnología única y revolucionaria. Aunque parezca un proceso lento y relativamente restringido según las normas actuales, su uso se ha extendido aceleradamente, y han sido comprobadas su precisión y efectividad.

Originalmente el proceso era bastante sencillo y descomplicado; los materiales disponibles para fabricar hilo se reducían al cobre y el bronce, además de que eran pocos los proveedores.

Desde entonces el electroerosionado por hilo ha sufrido un crecimiento asombroso en cuanto a aplicaciones, sofisticación y equipos, así como en las exigencias que se hacen sobre el hilo, herramienta básica del proceso.

En la actualidad los usuarios exigen y necesitan un máximo de eficiencia y productividad, así como un funcionamiento previsible. Mayores ángulos de chaflán, piezas de trabajo más gruesas, enhebrado automático del hilo y periodos prolongados de operación sin supervisión directa, hacen de la selección del hilo un factor crucial para lograr una operación perfecta.

Las máquinas y los requisitos de cada trabajo varían mucho, lo cual hace que la selección del hilo adecuado se convierta en una tarea difícil. Por consiguiente, si se busca alcanzar óptimos resultados, es necesario probar con diferentes tipos de hilos. Aunque esta observación no pretende abarcarlo todo, sí debe constituir una guía útil en el momento de elegir el tipo indicado de hilo para cada trabajo.

El proceso de electroerosionado por corte de hilo

Para seleccionar y aplicar el hilo es fundamental comprender la forma como funciona su proceso de corte.

La pieza de trabajo y el hilo representan los terminales positivo y negativo en el circuito eléctrico DC, y siempre se encuentran separados por un espacio, que la máquina mantiene controlada en forma permanente. Esta hendidura se debe llenar siempre con un fluido dieléctrico, en este caso agua desionizada, la cual actúa a la vez como aislante y como agente refrigerante. De igual forma, se deshace de las partículas erosionadas sobrantes del área de trabajo mediante un desagüe.

El corte de la pieza de trabajo se hace por medio de una secuencia de pulsos eléctricos rápidos, generados miles de veces por segundo desde la fuente de potencia, formando una gran cantidad de chispas. En condiciones sumamente elevadas de calor y presión cada chispa forma un canal de ionización, en el cual fluyen las partículas entre el electrodo del hilo y la pieza de trabajo, lo cual produce vaporización en ciertas secciones localizadas.

Los desechos metálicos vaporizados que crea este proceso, tanto de la pieza metálica como del material del hilo, se enfrían en seguida y se desechan mediante el flujo de fluido dieléctrico a través de la hendidura.

A medida que la máquina hace avanzar al hilo a través de la pieza de trabajo, corta una ranura ligeramente mayor que el diámetro del hilo. Dado que éste también se ha desgastado en el transcurso del proceso, la máquina va reponiendo el hilo erosionado de modo continuo en la ranura.

El material ideal para el electrodo del hilo en este proceso debe cumplir con tres pautas importantes: alta conductividad eléctrica, suficiente resistencia mecánica y características óptimas de chispa y emparejado. Como se verá más adelante, no existen hilos perfectos que sobresalgan para todas las pautas anteriores, y será preciso sacrificar ciertas cosas según los resultados y aplicaciones que se deseen. Los tres factores anteriores van íntimamente ligados e interrelacionados.

Un alto grado de conductividad es importante debido a que, por lo menos en teoría, esto implica que el hilo puede llevar una mayor cantidad de corriente, lo cual significa que se puede obtener una chispa más caliente y una mayor

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velocidad de corte.

La resistencia mecánica, que por lo regular se expresa como resistencia a la tracción en PSI, necesita ser la suficiente como para mantener la rigidez del hilo, con una mínima vibración, bajo la tensión que le aplica el mecanismo de alimentación del hilo. Existen algunas limitantes de tipo práctico, dado que la alta dureza que a veces es propia de los hilos estirados en frío y de alta resistencia a la tracción, puede hacer que resulten hilos encocados o combados, que no se prestan para ángulos de chaflán pronunciados, ni para el enhebrado automático.

La capacidad del material del hilo para evitar la formación de chispas y el proceso de desagüe ha cobrado una creciente importancia ante la necesidad de mayor productividad y precisión. Es muy aconsejable que el hilo se desgaste, puesto que el material de hilo vaporizado ayuda a la formación de canales adicionales de ionización de chispas. Además, un grado más alto de vaporización en partículas microscópicas, en lugar de su fusión, mejora considerablemente la eficiencia del proceso de desagüe, así como la estabilidad del corte, al suprimir la formación de arcos.

Estas características mejoran con hilos cuya superficie tenga un punto de fusión relativamente bajo y un alto grado nominal de presión de vapor. En efecto, estos factores son tan importantes que justifican sacrificar algún grado de conductividad y además mejoran la estabilidad del corte de manera considerable, lo cual incrementa la eficiencia.

Cómo distinguir los tipos de hilo

Dados los adelantos tanto en las máquinas electroerosionadoras como en la fabricación de hilos, hoy en día se dispone de nuevos materiales para su fabricación. Cada tipo en particular cuenta con sus características distintivas, y los adelantos más recientes le brindan al usuario una gama de alternativas.

El hilo de cobre

El cobre fue el material original que se utilizó en las primeras electroerosionadoras de hilo. Su grado de conductividad nominal es excelente, sin embargo, su baja resistencia a la tracción, alto punto de fusión y bajo grado de presión de vapor, limitan seriamente sus posibilidades. En la actualidad su empleo se reduce a máquinas de tecnologías con fuentes de energía originalmente diseñadas para hilo de cobre.

El hilo de bronce

Cuando los primeros usuarios de EDM buscaron mejores rendimientos, el bronce fue la primera alternativa lógica para reemplazar al cobre El hilo de bronce para EDM es una combinación de cobre y zinc, por lo regular en una aleación de 63-65% de Cu con 35-37% de Zn. El agregarle el zinc le proporciona una resistencia significativamente mayor a la tracción, lo cual compensa con creces la pérdida relativa de la conductividad.

En muy poco tiempo el bronce se convirtió en el material más utilizado como electrodo de hilo para realizar múltiples aplicaciones. En la actualidad se comercializa en una amplia gama de durezas y resistencias a la tracción.

El hilo recubierto

Dado que es imposible elaborar eficientemente hilos de bronce sin cantidades considerables de zinc, el siguiente paso lógico consistía en desarrollar hilos recubiertos, llamados en ocasiones niquelados (plated). Estos por lo general tienen un núcleo de bronce o cobre, para efectos de conductividad y resistencia a la tracción, y llevan un recubrimiento electroniquelado de zinc puro o disperso, con el fin de conferirle mejores características de formación de chispas y desagüe.

Originalmente se le conoció con el nombre de "hilo rápido" por su capacidad de cortar a velocidades de remoción más altas que las usuales.

En la actualidad los hilos recubiertos se encuentran disponibles en una amplia gama de materiales de núcleo, materiales de recubrimiento, profundidades de recubrimiento y resistencias a la tracción, adecuados a las diversas aplicaciones y requisitos de las máquinas.

Aunque su costo es superior al del bronce, los hilos recubiertos representan en la actualidad la mejor alternativa para

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lograr un óptimo desempeño general.

Los hilos finos (molibdeno y tungsteno)

Los trabajos de alta precisión realizados por máquinas electroerosionadoras de hilo requieren de radios internos pequeños y, por lo tanto, necesitan hilos de diámetros entre 0,001" y 0,004". Los hilos de bronce y los recubiertos no son prácticos para estos tamaños, dada su capacidad de conducción de carga; en su lugar se utilizan hilos de molibdeno y tungsteno.

Sin embargo, debido a su limitada conductividad, altos puntos de fusión y bajo grado de tensión de vapor, no son adecuados para trabajos de mucho espesor y, por lo general, cortan lentamente.

Cómo escoger el tipo correcto de hilo

Aunque ofrezcan soluciones para cada aplicación, a veces la amplia variedad de alternativas de hilos pueden ser confusas. De la aplicación dependerá la selección de las máquinas y del hilo. Para ello se deben tener en cuenta los siguientes aspectos:

Aplicación

Tanto el espesor, las tolerancias finales y el terminado deseado de las piezas de trabajo (así como los cortes de refilado resultantes) como el tamaño de los radios, los ángulos de chaflán pronunciados (high taper angles) y el material de las piezas de trabajo, requieren de una atención especial en el momento de escoger el hilo más adecuado. Por ejemplo, aunque por lo general el hilo recubierto es superior al de bronce, sus ventajas se disminuyen al cortar materiales delgados (por lo regular de calibres menores de 3/8").

Tipo de máquina

Entre las diversas marcas de máquinas existen variaciones considerables en los conceptos de diseño, en la tensión y el manejo del hilo, en el diseño de la fuente de energía y en el enhebrado. Las recomendaciones del fabricante de la máquina referentes en particular a la resistencia a la tracción, deben constituir el punto de partida para determinar el tipo de hilos que se deben ensayar.

Rendimiento

Por razones económicas los usuarios deben obtener el máximo rendimiento de sus equipos. De ahí que la velocidad de corte se ha convertido en la pauta principal para la elección del hilo. No es raro encontrar que al cambiar hilos y realizar ajustes pequeños en las graduaciones de potencia, se produzcan mejoras en la velocidad de corte del orden de un 20% a un 40% adicional.

Es tan importante realizar más trabajo en menor tiempo, que muchos talleres cambian el hilo incluso en medio de un mismo trabajo; por ejemplo, la utilización de hilo de alto rendimiento para los cortes iniciales y quizás un hilo con un diámetro más pequeño para los radios restantes de menor tamaño.

El diámetro del hilo también debe ser un punto que debe tenerse presente cuando la velocidad de corte sea crucial. Dado que los hilos de diámetros menores no pueden cargar tanta corriente, para obtener una mayor velocidad se debe utilizar hilo de un diámetro mayor.

Economía

Como se ha anotado anteriormente una economía a nivel operativo obliga a escoger bien los hilos. Aunque el costo del hilo que se utiliza en el proceso no es significativo, es considerablemente menor que los otros costos relacionados con el electroerosionado de hilo, incluyendo el costo correspondiente a la propiedad y depreciación de la máquina, a los costos fijos del taller y a la mano de obra, así como a los de los desperdicios y la repetición de trabajos cuando se elige incorrectamente el hilo para el trabajo.

Por consiguiente, el usuario no debe dudar en experimentar con mejores calidades de hilo a un costo adicional,

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buscando incrementar rendimientos que parezcan modestos.

Comparación entre hilos recubiertos e hilos de bron ce

Aunque los hilos recubiertos existen desde principios de la década de los años ochenta, el uso del hilo de bronce mantiene su predominio en el mercado. Aunque esto es un poco incomprensible si se tiene en cuenta que la relación de costos entre el hilo recubierto y el de bronce es de casi 2:1, la preferencia persistente por el hilo de bronce continúa desorientando a los fabricantes de hilo, dado que las ventajas del hilo recubierto son realmente insuperables.

No sólo superan al hilo de bronce por un margen considerable, sino que los refinamientos y mejoras en su fabricación y metalurgia los hacen adecuados para casi el 95% de los trabajos que se elaboran actualmente en máquinas producidas desde principios de la década de los ochenta.

Examinemos los motivos económicos por los cuales es conveniente la utilización de hilo recubierto en los talleres:

1. El costo promedio de operación de una máquina electroerosionadora de hilo es de aproximadamente US$40 por hora, teniendo en cuenta el costo original, la depreciación, el mantenimiento, el tiempo de parada, los materiales consumibles (incluyendo el hilo de bronce), así como la electricidad, mano de obra y gastos generales del taller.

2. A una velocidad de alimentación de hilo de 400 m/hora, un hilo recubierto típico a la misma velocidad de alimentación, cuesta alrededor de US$4.05/hora.

3. El costo adicional de US$1.85/hora del hilo recubierto aumenta el costo total por hora sólo en 4.6%. Más importante aún, se pagaría con un mejoramiento de apenas 5% en el rendimiento.

Si un trabajo promedio requiere de 6 horas de tiempo de corte para producir hilo de bronce, el costo total de máquina para ese trabajo sería de US$240. Si el hilo recubierto reduce el tiempo total de operación en un 15%, lo cual parece razonable conseguir, el resultado es una reducción de 11% del costo total, con lo cual se obtiene un ahorro de más de US$26 por cada trabajo.

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11 - La electroerosión de hilo se vuelve horizontal

Mecanizado microminiatura

Tradicionalmente, la electroerosión por hilo ha sido vertical. El fabricante de máquinas-herramienta Makino propone una orientación del hilo en sentido horizontal como alternativa para el mecanizado microminiatura.

Por décadas, la electroerosión de hilo (EDM - Electrical Discharge Machining) ha sido configurada con el hilo en posición vertical, por lo que la apariencia de una máquina que oriente el hilo en dirección horizontal parece realmente un desarrollo novedoso. Una máquina de estas, la electroerosionadora de hilo horizontal UPJ-2, fue introducida al mercado por Makino en la ITMS 2002 de Chicago. Sin embargo, mirando más allá de la novedad de su orientación del alambre, la máquina sobresale por satisfacer las necesidades especiales de las aplicaciones de mecanizado microminiatura. Esta no es una máquina de hilo de propósito general reconfigurada para soportar el hilo en una posición inesperada. Más bien, dice el fabricante, es una pieza de equipo diseñada especialmente para el mecanizado de microengranajes utilizados en moldes miniatura, componentes de fibra óptica, boquillas para chorro de tinta e instrumentos médicos. Las demandas de estas aplicaciones definieron la orientación horizontal del hilo y otras características.

La máquina electroerosionadora UPJ-2 de Makino mueve el hilo electrodo de un lado del tanque de trabajo al otro, cortando horizontalmente mientras la pieza de trabajo está sumergida en el fluido dieléctrico.

El reto de trabajar con un alambre fino

Aunque el alambre horizontal es la característica más llamativa de la máquina, su habilidad de manejar un alambre extremadamente fino es más significativa. Un alambre tan delgado, con tan solo 0,00078" (0,02 mm) de diámetro puede ser utilizado efectivamente. (Como lo anota John Sanan, gerente de producto de Makino en Auburn Hills, Michigan, "un alambre así de pequeño tiene solamente dos veces y media el diámetro de una célula de sangre humana").

Trabajar con un hilo así de fino presentaba dos retos mecánicos para los diseñadores de la máquina. El enhebrado automático del alambre es una dificultad particular con un alambre tan fino. El reto fue afrontado con un sistema tubular que utiliza presión de aire positiva y negativa para enhebrar automáticamente un hilo de 0,00078" en un hueco de inicio de 0,0019" (0,05 mm) de diámetro. Guías de cable en V, en lugar de redondas, mejoran la confiabilidad del enhebrado.

El otro reto para los diseñadores era la tensión del hilo. La máquina utiliza un sistema que aplica pesos directamente al hilo. De esta manera, la fuerza de gravedad constante asegura que la tensión permanecerá invariable durante la operación.

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Este orificio con forma de engranaje fue cortado con un hilo de 0,00078” de diámetro.

Según Sanan, estas soluciones no hacen que la máquina sea compleja o difícil de operar. La máquina, dice él, es tan simple de operar y de alistar como una máquina convencional de hilo.

Además, la máquina horizontal proporciona mayores beneficios en aplicaciones con cable fino y de ultra precisión. Permite que las piezas de trabajo sean soportadas en posición invertida en el eje C del husillo montado en el cabezal de la máquina. Las piezas de trabajo pueden ser montadas en soportes estándar, como el sistema de pallets Erowa, que las dirige a sistemas automáticos o robóticos de carga y descarga.

Y lo más importante, el movimiento de rotación del eje C puede ser coordinado con los movimientos X y Y para cortar geometrías intrincadas. De esta manera, el manejo de partículas y de centros (un eterno problema en la electroerosión convencional de hilo) se simplifica notablemente. El sistema automático de remoción de centros y de partículas le permite al material caer, alejándose de la pieza de trabajo sin interferir con la acción de corte del hilo o dañar la pieza de trabajo. Como el hilo delgado tiene una capacidad limitada para transportar corriente, su velocidad de remoción de metal está regulada proporcionalmente, por lo que se hace esencial la automatización para lograr una operación extendida.

La máquina tiene una base de granito como la de una máquina de medición de coordenadas para amortiguar la vibración y minimizar los efectos térmicos. La máquina está totalmente encerrada para proporcionar un ambiente de mecanizado que pueda ser controlado con un rango de 1° F (0,5° C). L os desplazamientos en X, Y y Z son 7,87" por 7,78" por 3,26" (200 mm por 200 mm por 60 mm), con desplazamientos en los ejes U y V de ± 0,394" (± 10 mm). El máximo peso del conjunto pieza-soporte es de 44 libras.

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12 - El rayo láser inclinable ofrece nuevas oportunidades

La combinación del corte láser de alta velocidad en 2D y 3D representa lo último en procesamiento de metales.

Introducción

El corte por láser se convirtió en un método de manufactura ampliamente utilizado en los pasados 30 años. Durante su evolución, desde una nueva tecnología hasta llegar a ser un proceso comprobado, eficiente y flexible, el corte por láser se ha consolidado como la herramienta indicada para la producción justo a tiempo, con almacenamiento mínimo de piezas y como un medio indispensable en el proceso moderno de láminas.

El aumento de la potencia del láser y la tecnología de movimiento de alta aceleración, han mejorado las velocidades de corte hasta llegar a 60 pies por minuto y más, creando un muevo proceso llamado corte por láser de alta velocidad. Las elevadas velocidades de corte requieren una máquina dinámica y estable y un moderno control CNC de alta resolución. Con nitrógeno como gas de asistencia en lugar de oxígeno, el proceso de oxidación limitante dela velocidad, se ha superado. Este proceso requiere una potencia superior de láser (> 3 kW), aun en aceros medios delgados (galgas mayores de 16), lo mismo que mayores consumos de gas de asistencia (1.000 SCFH -pies cúbicos estándar por hora- y más).

Hoy, entre 85% y 90% de las aplicaciones de corte por láser corresponden a corte de láminas planas de metal, en las que el rayo láser es perpendicular a la superficie. Los sistemas y el software de programación para material plano han demostrado su capacidad de brindar, de manera confiable, un alto grado de calidad y productividad, y un rendimiento optimizado. La automatización y la optimización de la productividad pueden incrementarse con el uso de mesas adicionales de intercambio, sistemas automáticos de carga/descarga y torres de pallets.

Las aplicaciones en 3D constituyen el restante 10% o 15% del corte por láser utilizado en especial -aunque no exclusivamente- por la industria automotriz, que utiliza grandes sistemas para el corte de grandes piezas como cuerpos completos de automóviles. Por causa del gran tamaño de los sistemas de procesamiento por láser en 3D y

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su dinámica restringida, el corte de alta velocidad no está disponible ni es necesario. Los sistemas normalmente están equipados con unidades láser de potencia inferior a los 3 kW, lo cual es más que suficiente para el corte de láminas delgadas de metal.

Históricamente, la programación de estos grandes sistemas en 3D que utiliza el método de entrenamiento ha sido muy costosa, ya que la máquina no es productiva durante el tiempo de programación. En la actualidad se trabaja en un nuevo software que permita la programación fuera de línea de las máquinas en 3D, partiendo directamente de los archivos de CAD. Esta tecnología dará inicio a nuevas e impresionantes oportunidades en el mercado del corte en 3D.

Corte en 2D y 3D

Los talleres tradicionales de fabricación en lámina utilizan actualmente corte por láser para fabricar piezas de láminas planas de metal, antes que la pieza sea conformada. En el pasado, se sabía que cortar la pieza después de su conformado era muy complicado -el equipo resultaba muy costoso y la programación era difícil y tenía que hacerse con la máquina fuera de línea-. Por esta razón, los sistemas láser en 3D o de 5/6 ejes eran utilizados casi exclusivamente en la industria automotriz para prototipeado y bajos volúmenes de producción.

Los nuevos sistemas han cambiado todo esto. Los recientes sistemas láser son diseñados para el corte de láminas planas y para el corte tridimensional, lo que constituye para los talleres de servicio una diversificación tal que puede darles un perfil competitivo. La oferta del corte en 3D, que es aún un nicho de mercado y exige un gasto adicional, es una buena opción para que los talleres de servicio obtengan mayores ganancias.

Por ejemplo, el corte en 3D puede simplificar un trabajo de múltiples operaciones que requiera corte, doblado y posiblemente mecanizado, ya que la operación de doblado puede distorsionar un hueco cortado en plano con láser.

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Con un sistema de corte láser en 3D, la lámina metálica puede ser doblada primero y efectuarse los cortes después del proceso de conformado. Esto elimina el mecanizado y un complicado proceso de doblado.

Los talleres de servicio que quieran diversificarse, deben buscar sistemas láser en 3D diseñados también para manejar el corte plano y para ofrecer altas velocidades de corte y posicionamiento con el fin de mejorar la productividad, garantizar tiempos cortos de cambio y manejo automático de material. El sistema también debe ser fácil de programar y de operar. Nuevas oportunidades con el rayo inclinado

Estos nuevos sistemas en 2D/3D, altamente versátiles, abren un interesante campo de nuevas oportunidades, en especial para talleres de servicio láser en:

- Corte láser de piezas pequeñas en 3D - Cortes inclinados en láminas metálicas 2D y piezas 3D - Bordeado eficiente en 3D de pequeñas piezas de embutido profundo - Procesamiento de huecos y cortes en piezas hidroformadas

La adición de un eje auxiliar rotativo expande aún más las capacidades de proceso:

- Corte de tubos y perfiles - Cortes inclinados en tubos para mejores ajustes

Un ejemplo de aplicación de estos sistemas híbridos está en la industria automotriz, que demanda el procesamiento eficiente de piezas conformadas hidrodinámicamente. Para tales aplicaciones, el corte de alta velocidad es la respuesta. Adicionando un desplazamiento en Z expandido, un cabezal de corte en 3D y un moderno CNC de seis

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ejes con procesadores rápidos a un cortador láser plano de alta velocidad y gran potencia, el corte láser en 3D de alta velocidad se convierte en una realidad. Esta nueva combinación de corte de elevada velocidad y procesamiento en 3D abre un campo excitante en el corte en 3D de alta velocidad.

Otra aplicación interesante para el cabezal en 3D en láminas planas es el corte inclinado, especialmente en láminas metálicas gruesas que necesiten cortes inclinados para prepararlas para soldadura. Con el corte convencional láser, esto representa un proceso complicado que consume mucho tiempo. Con el corte en 3D, esta inclinación es realizada durante el contorneado inicial, lo cual elimina un paso completo de proceso (que incluye planeación, espacio de trabajo, personal, herramientas, logística, almacenamiento, piezas rechazadas, etc.) y reduce tiempo de proceso y costos. Algunas áreas en las que los cortes inclinados resultan de especial interés incluyen la producción de equipo pesado militar o de construcción, astilleros y fabricación de máquinas.

El corte inclinado normalmente se inicia con un corte vertical. El cabezal láser es inclinado posteriormente para lograr el ángulo requerido. Los ejes X y Y tienen que moverse en una trayectoria diferente por causa de la desviación entre el eje Z y el punto focal. Esta desviación es función del ángulo de inclinación. El cálculo de la trayectoria constituye una simple evaluación de corrección de offset de herramienta.

El rayo inclinable también permite la producción de piezas más complejas, como los dientes inclinados de un engranaje helicoidal o simples huecos cónicos para tornillos avellanados. Un eje opcional rotativo puede aumentar aún más la versatilidad del sistema. Un ingeniero brillante, mediante cualquier número de diseños inteligentes, puede reducir los costos de producción o aumentar el valor de un producto sin incurrir en costos adicionales a los de una aplicación de corte 2D. Mercado para el corte por láser en 3D

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Además de la industria automotriz, que es ya un usuario mayor del corte por láser en 3D, se espera que los siguientes mercados empiecen a implementar primero la tecnología del rayo inclinable:

- Agricultura - Equipo de construcción - Militar - Iluminación (piezas repujadas)

Además de estos mercados, otra cantidad de candidatos podría usar esta tecnología aun con mayor éxito.

Aunque el corte en 3D constituye aún menos de 20% del mercado completo de corte por láser, este representa para los talleres de servicio la oportunidad de adquirirlo y afianzar sus pretensiones en este creciente mercado.

Los nuevos sistemas de corte por láser en 3D/2D representan la clave del éxito futuro en muchas aplicaciones de corte por láser. Equipados con una mesa opcional rotativa para el procesamiento de perfiles, estos sistemas láser se convierten en asequibles máquinas todo-en-uno que proporcionan la versatilidad y diversificación que imprimen a los talleres un perfil competitivo.

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13 - Aspectos analíticos y tecnológicos del proceso de punzonado de chapa 1.- INTRODUCCIÓN

Los procesos de conformado de chapa en general, y en particular el proceso de punzonado, suelen asociarse con procesos mecánicos relativamente simples de reducida aportación tecnológica y escaso valor añadido. Sin embargo, la realidad es muy diferente ya que estos procesos, al igual que otros procesos de tipo mecánico, están fuertemente influenciados por factores muy diversos relacionados con la máquina, las herramientas, el material y características geométricas de la pieza o el propio entorno del proceso (tabla 1). El punzonado es una operación de corte de chapas o láminas, generalmente en frío, mediante un dispositivo mecánico formado por dos herramientas: el punzón y la matriz. La aplicación de una fuerza de compresión sobre el punzón obliga a éste a penetrar en la chapa, creando una deformación inicial en régimen elastoplástico seguida de un cizallamiento y rotura del material por propagación rápida de fisuras entre las aristas de corte del punzón y matriz. El proceso termina con la expulsión de la pieza cortada (figura 1).

Fig. 1.- Esquema del punzonado (A) Penetración del punzón en la pieza En general, la mayoría de los estudios efectuados sobre la mecánica del proceso de deformación plástica y corte, tienen como finalidad analizar los defectos que se presentan en el borde de las piezas punzonadas. Los primeros resultados de los estudios sobre los mecanismos de corte en punzonado se producen a comienzos de la década de los cincuenta, en Alemania (Keller) y en Japón (Fukui y Maeda) simultáneamente. Hoy en día, los estudios se centran en la obtención de modelos matemáticos que junto con el método de los elementos finitos permitan el cálculo de las fuerzas, determinar calidad del borde de la pieza y la simulación del proceso.

Tabla 1. Distintos factores que intervienen en el p unzonado.

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2.- ANÁLISIS DEL PROCESO DE PUNZONADO

2.1. Mecánica del corte En el proceso de punzonado se pueden considerar tres etapas (figura 2):

1. Deformación: los esfuerzos del punzón sobre la chapa metálica, originan en ésta una deformación, inicialmente elástica y después plástica, alrededor de los bordes del punzón y matriz.

2. Penetración: los filos de corte del punzón y matriz penetran dentro del material, produciéndose grietas en el material debido a la concentración de tensiones a lo largo de los filos de corte.

3. Fractura: las grietas originadas a uno y otro lado de la chapa se encuentran, originando la separación del material. Asimismo, el punzón continúa su descenso para expulsar el recorte. El juego de corte J, permite la penetración del punzón en la matriz (figura 3) y la expulsión del material cortado.

Fig. 2.- Etapas del punzonado

El juego de corte J tiene un efecto importante en el proceso de corte y se define como la distancia lateral entre el filo del punzón y el filo de la matriz. En general, el valor del juego de corte suele expresarse de dos maneras, bien como porcentaje respecto al espesor de la chapa e (juego de corte relativo) o dando el valor de la distancia entre los filos. En el caso de punzones de sección circular, el juego de corte será la mitad de la diferencia de diámetros de la matriz y el punzón, aunque es frecuente encontrar datos de fabricantes que se refieren a la diferencia de diámetros de la matriz y punzón (2J). El corte por punzonado produce varias características en los bordes de la chapa y del material cortado. Estas características son (figura 3):

1. Deformación plástica caracterizada por un pequeño radio R. 2. Zona bruñida de aspecto brillante caracterizada por el ancho D. 3. Fractura angular, con aspecto mate, definida por la penetración P. 4. Rebaba caracterizada por su altura H.

Fig. 3.- Características del borde de corte con jue go normal

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Todas estas características del borde cortado dependen del tipo, dureza y espesor del material, juego entre punzón y matriz, estado de los filos de corte, sujeción del material y tamaño del punzón en relación al espesor de la chapa. Las dimensiones de la zona 2 (figura 3) las determina el punzón, en el caso de la chapa, o la matriz, en el caso del material cortado. La extensión de la zona 1 deformada plásticamente junto con la zona 2 bruñida, se representan como porcentaje del espesor del material y definen la distancia recorrida por el punzón antes de la fractura del material. El porcentaje de la penetración del punzón varía con el tipo y dureza del material. Así, a medida que aumenta la dureza del material, el porcentaje de penetración del punzón decrece. Por otro lado, la penetración del punzón aumenta cuando el tamaño del punzón es menor que 1,5 veces el espesor de la chapa, debido al alto esfuerzo de compresión a que está sometido el material en la zona de corte. La fractura angular y la calidad del corte dependen del juego entre matriz y punzón. Con un juego insuficiente entre punzón y matriz, se produce un corte secundario. Las grietas iniciales correspondientes al punzón y matriz no están alineadas, y por tanto, no llegan a encontrarse (figura 4). El descenso continuado del punzón produce la prolongación de las grietas y la superficie no cortada entre ellas se romperá en una fractura secundaria. En la parte inferior de la carrera del punzón, se produce un corte secundario y una segunda zona bruñida (figura 5-B). La disminución del juego, por debajo de los valores normales, provoca la disminución de todos los defectos de forma, mejorando por lo tanto, la precisión de los bordes obtenidos.

Fig. 4.- Posición relativa de las grietas según el juego

Cuando el juego empleado es demasiado bajo empiezan a aparecer cortes secundarios que perjudican la calidad de los bordes. Hay que destacar, que al disminuir el juego de corte se produce una mejora en la precisión de la pieza, sin embargo, otros factores como el desgaste de las herramientas o la energía consumida se ven afectados negativamente. En el caso de tener un juego de corte excesivo (figura 5-A) aparece una deformación plástica excesiva, una parte bruñida menor y una altura de rebaba mayor. Por otro lado, hay que resaltar que, al aumentar el juego de corte por encima de los valores normales, se consigue aumentar la vida de la herramienta en detrimento de la precisión obtenida en los bordes. Así, el juego de corte apropiado será aquel que no cause un corte secundario y tenga una deformación plástica y altura de rebaba pequeñas.

Fig. 5.- Características del borde con juego excesi vo e insuficiente

Desde el punto de vista de la mecánica de la fractura del material, puede considerarse que el funcionamiento del proceso es óptimo cuando las grietas iniciadas desde el punzón y matriz se encuentran alineadas. Puesto que el

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juego de corte es el parámetro que afecta más directamente a la mecánica de la fractura del material, el juego de corte óptimo deberá ser capaz de proporcionar esta alineación. 2.2. Fuerzas en el punzonado La fuerza de corte varia en función del juego manteniendo los demás parámetros constantes. En figura 6, se representa la fuerza ejercida por un punzón de 10 mm de diámetro y su desplazamiento al cortar una chapa de acero de 2,8 mm de espesor, con diferentes juegos de corte. En general, las curvas pueden ser descompuestas en dos partes claramente diferenciadas: una primera en la que la fuerza aumenta desde cero hasta su valor máximo, punto éste correspondiente al inicio de la fractura, y una segunda en la que las grietas crecen y se completa el corte del material. La primera zona presenta un aspecto muy similar en todas las curvas, sin embargo, desde el momento en que se inicia la fractura, se desarrollan fluctuaciones importantes para los distintos juegos.

Fig. 6.- Influencia del juego de corte J sobre la f uerza de corte

Fig. 7.- Resistencia de corte por punzonado según e l juego. a) sr= 630N/mm2, e= 5mm; b) sr=450 N/mm2, e=5mm; c) sr=460 N/mm2, e=10mm

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La formación de la grieta puede asociarse a los descensos repentinos que se aprecian en los diagramas. Cuando las grietas originadas no se encuentran alineadas, las fuertes pendientes de descenso tienden a suavizarse, llegando en algunas ocasiones a la horizontalidad. En estos casos, suele producirse nuevamente disminuciones importantes de la fuerza debido a la formación de cortes secundarios. Como consecuencia de las fluctuaciones producidas en la disminución de la fuerza, se produce un aumento del área encerrada por el diagrama, y por tanto, de la energía consumida en el proceso. Por esta razón, cuando en el corte de la chapa las grietas presentan la misma alineación, la energía consumida por el proceso resulta mínima. La resistencia de corte por punzonado ks será, a partir de la máxima fuerza de corte Fs máx:

donde As es el área calculada a partir del espesor de la chapa e y el perímetro lp de corte:

y ks incluye los efectos del juego de corte, desgaste de la herramienta y la influencia de otros parámetros, como las propiedades del material, espesor y forma del contorno del punzón. La resistencia al corte por punzonado ks decrece con el aumento del juego de corte, siendo su variación de aproximadamente un 14% en el rango de J = 0,01 ¸ 0,1e. En la figura 7 se puede observar este efecto, utilizando tres materiales distintos y punzones perfectamente afilados. Conforme se realizan punzonados, el punzón sufre un desgaste que tiene como consecuencia un incremento de ks de hasta 1,6 veces. Por otro lado, la resistencia de corte se ve afectada por el diámetro del agujero punzonado, así el valor de la resistencia de corte decrece con el aumento del diámetro del punzón si se mantienen las demás condiciones constantes (figura 8). Otro factor de influencia, es la forma de la sección del punzón. En las zonas de gran curvatura existe una concentración de tensiones, motivo por el cual es más frecuente la rotura del punzón en las esquinas angulosas.

Fig. 8.- Efecto del diámetro del punzón en la resis tencia al punzonado

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En la práctica, en la industria se estima el valor de ks mediante la tensión máxima de cizallamiento tB, y la fuerza máxima de corte mediante:

El valor de tB se obtiene de tablas o a partir de la resistencia a la rotura sr. Por lo general, se toma como resistencia de cizallamiento tB un valor igual al 80% de la resistencia de rotura, sin embargo, esta proporción varía con el tipo y espesor del material. Según estudios realizados por Oehler, existe una dependencia lineal entre la resistencia a la cizalladura y el logaritmo de la relación dp/e. Según estos estudios:

Una vez cortado el material, debe ser expulsado a través de la matriz, que en general tiene forma cónica para facilitar la extracción y dificultar el regreso del material cortado con el retroceso del punzón. La fuerza necesaria debe vencer el rozamiento y compresión radial entre el punzón y la chapa y entre la pieza cortada y la matriz. Parte de estas fuerzas también están presentes durante el retroceso del punzón debido al rozamiento de la chapa con el punzón. Esta fuerza de extracción suele expresarse como porcentaje de la fuerza necesaria para el punzonado y depende del material y del juego de corte. Otro factor a tener en cuenta, es el estado del punzón. Así por ejemplo, el progresivo embotamiento sufrido por éste, origina un aumento de la fuerza de corte, y al mismo tiempo una disminución de la fuerza de retroceso. También la velocidad de corte tiene influencia sobre la fuerza de corte. Así, al aumentar dicha velocidad, disminuye la fuerza necesaria, debido fundamentalmente a la elevación de la temperatura del material que se origina con el aumento de la velocidad de deformación.

Fig. 9.- Afilados especiales del punzón

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Cuando las fuerzas de corte son demasiado elevadas, estas pueden ser reducidas considerablemente mediante un punzonado por corte progresivo, esto es, inclinando el corte del punzón (figura 9). Sin embargo, la variación de la fuerza no supone una variación de la potencia consumida en el proceso. 2.3. Desgaste de la herramienta La herramienta, durante su trabajo, está sujeta a una serie de acciones mecánicas, térmicas y químicas, que ejercen un efecto de desgaste, y por tanto, es de gran interés conocer los factores que afectan a éste. Entre estos factores, se pueden citar el material de trabajo, el número de punzonados, el material de la herramienta, el diámetro del punzón, el juego de corte y la lubricación. Todos los mecanismos de desgaste (adhesión, abrasión, etc.) pueden presentarse cuando se realizan operaciones de punzonado, tanto en los punzones como en la matriz sustentadora de la chapa a punzonar. El desgaste se produce en tres zonas: caras, flancos y bordes del punzón y matriz (figura 10). Los flancos y bordes del punzón y matriz están expuestos a la acción de las superficies generadas en el proceso de corte, y el deslizamiento relativo provoca fenómenos de adhesión en los flancos y bordes.

Fig. 10.- Desgaste del punzón y matriz La pieza punzonada sufre un endurecimiento al deformarse plásticamente, produciendo un crecimiento de las presiones locales y provocando la aparición de partículas más abrasivas. También la alta velocidad de producción da como consecuencia un alto número de impactos, favoreciendo la adhesión de partículas y fatiga de los filos de corte. Simultáneamente, aumenta la temperatura de la matriz, del punzón y de la pieza, por lo se incrementa la adhesión y se favorece la oxidación. La deformación elástica de la pieza produce un movimiento relativo a lo largo de la cara del punzón, inicialmente hacia el exterior y posteriormente, una vez iniciada la fractura, hacia el interior. Este hecho produce un desgaste abrasivo en la cara frontal del punzón. El pisador limita esta deformación elástica del material, con lo cual se reduce el desgaste del punzón. Por otro lado, la recuperación elástica de la chapa produce un desgaste del flanco del punzón en el movimiento de retracción. En la superficie lateral del punzón y de la matriz, el desgaste es debido fundamentalmente al mecanismo de adhesión. Otra zona que sufre desgaste, es el borde de corte, que presenta ambos mecanismos de desgaste, no siendo reseñable la influencia del tipo de material de la herramienta sobre el mismo. Los criterios de inutilidad de la herramienta comúnmente utilizados, son los siguientes:

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Consumo energético y fuerza máxima necesaria en el proceso. Altura máxima tolerable de la rebaba generada en el corte. Medición del desgaste de las caras, flancos y bordes en el punzón y matriz. Medida del aumento del juego de corte como consecuencia del desgaste.

Fig. 11.- Factores que afectan a los defectos geomé tricos de las piezas punzonadas Parece lógico establecer modelos de ecuaciones de vida, al igual que en las operaciones de mecanizado por arranque de viruta, que permitan saber con antelación el número de punzonados que es capaz de realizar un conjunto punzón-matriz, antes de ser rechazado. Estos modelos permiten establecer la duración de la herramienta antes de llegar a un valor de desgaste determinado, el cual será función del criterio de optimización elegido (mínimo coste, máxima producción, máxima calidad, etc.). Los estudios realizados sobre este tema son relativamente escasos, sobre todo por la complejidad del mecanismo de desgaste, íntimamente ligado con la vida de la herramienta. Por tanto, resulta difícil establecer modelos sobre una gran base de datos experimentales. 2.4. Precisión de las piezas punzonadas En el punzonado, como en cualquier otro proceso de fabricación, en necesario establecer las especificaciones de precisión necesarias para satisfacer las necesidades del usuario. Por tanto, resulta interesante hacer un estudio de la precisión, con el fin de poder definir dichas especificaciones, de la forma más acertada posible. La precisión de las piezas punzonadas puede ser caracterizada por los siguientes defectos: dimensionales, posicionales y de forma. Los factores que afectan a estos defectos son principalmente el material, las herramientas, las variaciones del proceso y la máquina. En la figura 11 aparecen representados los diferentes factores que afectan a cada uno de estos defectos. Los diámetros del recorte y del agujero, medidos sobre la superficie pulida, deben coincidir en teoría con los del punzón y matriz respectivamente. Estas dimensiones teóricas pueden sufrir alteraciones, debido a la influencia de algunos factores, tales como la inexactitud en las dimensiones de las herramientas, las deformaciones elásticas de éstas o las tensiones elástico-plásticas producidas en el material. En lo que respecta a los defectos posicionales, estos comprenden dos tipos de imprecisiones geométricas: irregularidades en el contorno del recorte e inexactitudes de los agujeros de las piezas perforadas. Las primeras son debidas normalmente a la falta de coaxialidad entre punzón y matriz, a defectos en las guías o a la inexactitud de forma de las herramientas. En cuanto a la inexactitud de posición de los agujeros, depende de la precisión del sistema de movimiento de la chapa (tabla 2). Los defectos de forma son aquellos que se presentan en los bordes de la pieza y dependen de las herramientas y del material. Los factores de las herramientas que más afectan a estas imprecisiones geométricas, son el juego de corte, la forma del punzón y el estado de desgaste del filo, mientras que los del material, son la calidad, resistencia y espesor de la chapa.

Tabla 2.- Datos de la precisión de diversos modelos de punzonadoras CN según catalogo

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Fig. 12.- Distintos tipos de borde según el juego. Material acero de bajo contenido en carbono

Tabla 3.- Rango aproximado de los valores de los di stintos bordes de la figura 12 Los defectos de forma pueden ser controlados mediante el ajuste del juego de corte. Así, según el juego de corte, se pueden obtener cinco tipos de bordes en la chapa punzonada. En la figura 12 pueden observarse de manera esquemática para el punzonado de acero de bajo contenido en carbono. Las características de cada uno de estos tipos de bordes pueden verse en la Tabla 3. En lo que respecta a las dimensiones del agujero, se ven afectadas por el cambio del juego de corte. Cuando se utilizan juegos de corte que producen bordes como el tipo 4 (figura 13), el diámetro del agujero es alrededor de 0,01 mm menor que el diámetro del punzón. Sin embargo, si se obtiene un borde del tipo 2, el diámetro del agujero es 0,01 mm mayor que el diámetro del punzón. El valor de la altura de rebaba (H) viene condicionado, en el caso del recorte, por el estado de desgaste del punzón, mientras que en el agujero, éste depende del grado de desgaste de la matriz. Por lo tanto, la altura de la rebaba depende de los mismos factores que el desgaste de las herramientas. La figura 13 muestra la altura de la rebaba en función del número de punzonados efectuados.

Fig. 13.- Variación de la altura de la rebaba con e l número de golpes

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3.- ASPECTOS TECNOLÓGICOS DEL PUNZONADO

Al igual que en otros sectores, las máquinas para el conformado de la chapa, y en particular las punzonadoras, han evolucionado hacia máquinas cada vez más automáticas e integradas con su entorno de trabajo. Estas máquinas son habitualmente máquinas de control numérico, caracterizadas por una elevada flexibilidad, que les permite abarcar la fabricación de una amplia familia de piezas sobre la misma máquina y con escasa influencia sobre los costes de preparación de la misma. Por otro lado, la paulatina disminución de la vida de los productos en el mercado, y la disminución del número de piezas por lote, hace que la punzonadora de control numérico esté presente cada día más en la transformación de chapa. Su versatilidad, aumento progresivo de las velocidades de punzonado y de las carreras de trabajo hace que, incluso en muchos casos, sean una opción más económica frente a las prensas de tipo convencional. 3.1. Operaciones Las máquinas punzonadoras de control numérico permiten obtener piezas de chapa mediante tres operaciones básicas:

Punzonado Mascado Conformado

La operación de punzonado se ha comentado con amplitud anteriormente y permite la realización del golpe de punzonado en un punto (x, y) de la chapa. En la punzonadora, en general, la posición del punto de punzonado es el mismo, es decir, que punzón y matriz están en una posición fija de la máquina, siendo la chapa la que debe desplazarse, junto con el sistema de sujeción de la misma, hasta el punto de punzonado. La operación de mascado consiste en la realización de punzonados consecutivos y solapaos con el fin de eliminar material en una zona amplia (vaciado) o generar el contorno de una pieza. En este caso, hay que tener en cuenta que la carga sobre el punzón no está distribuida uniformemente y no todos los filos cortan por igual (figura 14). En el punzonado de chapa de espesores grandes hay que tener en cuenta la distribución de cargas sobre el punzón, por lo que en ocasiones se prefiere la secuencia 1-3-5-2-4 a la 1-2-3-4-5 de la figura 15 cuando se punzona con herramientas rectangulares, oblongo, etc.

Fig. 14.- Filos de corte del punzón según el orden de punzonado

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Fig. 15.- Punzonado con secuencia en puente

Fig. 16.- Material no eliminado en el mascado con p unzón circular

Con un punzón circular se pueden obtener contornos de forma muy variada, pero presenta el problema de que entre dos golpes consecutivos, queda una porción de material sin eliminar. Por tanto, la forma generada no coincidirá con la teórica (figura 16). Es evidente que con el aumento del paso de mascado, aumenta la altura del resalte del borde cortado. La disminución de la altura del resalte del borde, hace disminuir el paso de mascado, pudiendo llegarse a un aumento inadecuado del tiempo de mecanizado. Con el fin de no dejar en la chapa restos de material, el mascado en línea recta se realiza con punzones que presentan secciones de lados rectos (cuadrados, rectangulares, oblongo). En el caso de curvas, para la eliminación del residuo, se utilizan punzones del tipo banana, lenticular, etc. en combinación con el giro del punzón y matriz (figura 17). En el entallado o mascado de esquinas angulosas (figura 18), se requiere la utilización de punzones de diversos tamaños y solamente utilizando un punzón con una forma especial adaptada al entalle, se puede eliminar totalmente el material. Debe comenzarse con el punzón menor, para luego continuar con los punzones en orden creciente de diámetro. La incorporación de la rotación del punzón hace que con herramientas de forma triangular también se pueda eliminar todo el material en los entalles. El vaciado presenta otro problema, y es que puede dejar pepitas o restos de material cortado sobre la mesa de la punzonadora. Por ejemplo, en el caso del vaciado de una forma circular (figura 19), vaciada inicialmente con punzones cuadrados, quedarían pepitas sobre la mesa. Para evitar este inconveniente, una solución sería punzonar en primer lugar con un punzón de sección igual al cuadrado inscrito en el circulo a generar, y posteriormente con un punzón de sección circular que tenga un diámetro suficiente.

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Fig. 17.- Mascado con punzón de tipo banana

Fig. 18.- Generación de entalles por mascado y con punzón de forma especial

Fig. 19.- Vaciado de un círculo mediante el uso de varios punzones

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Fig. 20.- Realización de un rectángulo por mascado

Cuando se recorta una pieza, ésta puede ser cortada totalmente en su contorno exterior, con lo cual se separa de la chapa, o bien se puede dejar unida a la misma por medio de micropuentes. Los micropuentes consisten en no solapar en varios puntos del contorno de la pieza el mascado dejando separaciones entre 0,1 y 0,15 mm. Las piezas son separadas una vez evacuada la chapa de la máquina punzonadora y por tanto no es necesaria una parada temporal de la máquina para extraer la pieza. Las herramientas para realizar los micropuentes solamente pueden ser herramientas cuadradas o rectangulares. El número y localización de los micropuentes dependen de la forma y tamaño de la pieza y del espesor de la chapa. El orden en el que se realizan las operaciones de punzonado es otro de los aspectos a considerar, ya que influye directamente sobre las deformaciones que sufre la pieza durante el proceso. Como regla general, se debe comenzar el punzonado por los agujeros de menor tamaño, continuando de forma progresiva con los agujeros más grandes. Asimismo, se debe comenzar por el lado opuesto a las garras de sujeción de la chapa y continuar en dirección hacia las garras. Por ejemplo, en la figura 20 la forma correcta de proceder será realizar el mascado 1 y 2, ambos desde la parte opuesta de las garras hacia las mismas. Luego, se realizarán los mascados 3 y 4, uno en un sentido y el otro en el contrario. El tercer tipo de operación, el conformado, permite realizar operaciones por deformación plástica de la chapa. Se trata en general de operaciones de embutición, extrusión y acuñado que permiten realizar, por ejemplo, rejillas para ventilación de formas muy variadas, acuñado de logotipos, etc. (figura 21). Es frecuente en este tipo de operación, que el elemento inferior pase a tener funciones de punzón y el elemento superior actúe como matriz.

Fig. 21.- Ejemplos de conformado en punzonadora CN de Mate Punch & die Co.

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También es importante tener en cuenta la altura de la chapa una vez deformada, de forma que ésta no interfiera con partes de la máquina o puedan resultar dañadas en posteriores operaciones. 3.2. Clasificación de las máquinas punzonadoras Para realizar una clasificación de las máquinas punzonadoras de CN que existen en el marcado, se van a considerar diferentes criterios. En primer lugar se van a clasificar en dos grupos, según el bastidor o estructura: tipo pórtico y tipo C o cuello de cisne. Dada la importancia del juego entre matriz y punzón, se debe mantener la coaxialidad de los mismos con un bastidor que sea lo más rígido posible, permitiendo conservar la perpendicular entre la mesa y el eje de percusión. Un bastidor tipo pórtico es eficaz en este sentido, pero restringe las dimensiones de los formatos y la comodidad de su introducción en la máquina (figura 22). Otra solución es el bastidor en forma de C o cuello de cisne con un núcleo forjado contenido en un marco soldado (figura 23). Atendiendo al sistema de accionamiento del punzón pueden considerarse dos grupos de máquinas punzonadoras: de accionamiento hidráulico (figura 23) y de accionamiento mecánico. Estas últimas, deben disponer de un freno/embrague para el control del golpeador (figura 24). Por el número de útiles, se distingue entre punzonadoras monoútil y multiútil. Las punzonadoras monoútil tienen un único soporte para montar una matriz y un punzón, por lo que un sólo conjunto punzón/matriz está listo para ser utilizado (figura 25). En este tipo de punzonadoras, el cambio de herramienta requiere la sustitución de la matriz y punzón situados en el husillo, bien de forma manual o automática, previa selección de un nuevo conjunto del almacén (lineal o circular) (figura 26). Por su lado, las punzonadoras multiútil poseen varios soportes para contener las matrices y punzones (figura 23), por lo que el cambio de la herramienta T1 por la T2 requiere un movimiento para lograr que el punzón y matriz de la nueva herramienta T2 y el accionamiento del mismo estén alineados.

Fig. 22.- Punzonadora Amada de tipo pórtico

Fig. 23. Punzonadora Trumpf de tipo cuello de cisne

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Fig. 24.- Accionamiento hidráulico

Fig. 25.- Accionamiento mecánico de Goiti

Otra característica de las máquinas es la posibilidad de disponer de rotación sincronizada (vía CN) del portapunzón y portamatriz sobre su propio eje, de tal forma que el punzón puede formar cualquier ángulo con el eje X (figura 27). Esta característica suele denominarse Auto-Index y en el caso de tratarse de una punzonadora monoútil, todas las herramientas dispondrán de ella, mientras que en las punzonadoras de torreta, solamente un número limitado de los portapunzones y portamatrices la tienen. Según el número de ejes controlados (figura 28), se puede hablar de: punzonadoras CN de 3 ejes (eje X, eje Y y eje Z de control de profundidad del punzón), punzonadoras de 4 ejes (eje X, eje Y, eje Z de control de profundidad del punzón y eje T de cambio de herramienta), punzonadoras de 5 ejes (eje X, eje Y, eje Z de control de profundidad del punzón, eje A de giro del punzón y eje B de giro de la matriz), punzonadoras CN de 6 ejes (eje X, eje Y, eje Z de control de profundidad del punzón, eje T de cambio de herramienta, eje A de giro del punzón y eje B de giro de la matriz). Según la mesa de apoyo, se puede hablar de: punzonadoras con mesa de apoyo móvil o con mesa de apoyo fija. Con el fin de no realizar marcas sobre la superficie de la chapa, en su movimiento sobre la mesa de punzonado, ésta última puede tener bolas y/o cepillos. Una característica importante de la mesa de punzonado es la existencia de trampillas o rampas para la evacuación de la pieza cortada y que nunca debe quedar sobre la mesa. Algunas máquinas poseen la opción de una mesa programable que permite el desplazamiento de parte de la mesa de apoyo, y con ello aumentar el tamaño de la zona de evacuación de las piezas cortadas.

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Fig. 26.- Punzonadora monoútil con almacén lineal d e Trumpfl

Fig. 27.- Giro del punzón y matriz sobre su eje (Au to-Index)

Fig. 28.- Ejes de una punzonadora Omes

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Fig. 29.- Garras de sujeción de la chapa

Fig. 30.- Pisador para el reposicionado de la chapa La sujeción de la chapa en la máquina se realiza por medio de garras situadas en el eje X, habitualmente accionadas hidráulicamente (figura 29). La posición de las garras puede ser programable y permitir el reposicionado de la chapa mediante la sujeción de la misma por el pisador y el desplazamiento del punto de sujeción (figura 30). Esta disposición permite teóricamente una fabricación de chapas ilimitadas en X, y naturalmente en la medida en que la mesa está prolongada para soportar el eventual voladizo de la chapa. Es posible que las garras se puedan retraer al paso del cabezal de punzonado y con ello evita la pérdida de material en la zona de las garras, disminuye el tiempo de preparación debido al posicionamiento de las mismas y ahorro de tiempo de programación, ya que no hay que determinar la posición de las garras. También es posible automatizar el proceso de carga y descarga de la punzonadora, con el fin de integrarla con otras máquinas automáticas dedicadas al conformado de la chapa (bobinas alimentadoras de chapa, cizallas, plegadoras, etc.). Generalmente, en las punzonadoras, la alimentación automática se realiza mediante manipuladores que utilizan ventosas como dispositivos para la sujeción de las chapas. Algunos fabricantes, incorporan en la misma máquina punzonadora otras tecnologías de corte, tales como el corte por láser o por plasma. Aunque se trata de un caso poco frecuente, permite aumentar las posibilidades de utilización de la misma máquina. 3.3. Herramientas Las herramientas para las punzonadoras de CN no están normalizadas como es el caso de otras herramientas de corte, por ello existe una gran variedad de tipos y configuraciones. Por esta razón, determinado fabricantes ofrecen adaptadores con el fin de utilizar herramientas de otros fabricantes. Las herramientas para las punzonadoras de CN se pueden clasificar según el número de formas punzonadas en:

Herramientas simples, que realizan el corte de una única forma con cada golpe de punzonado. A su vez, se pueden dividir en las que tienen una forma estándar (figura 31) o bien, formas especiales (figura 32).

Herramientas múltiples, que realizan con un golpe de punzonado el corte simultáneo de más de una forma sobre la chapa (figura 33).

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Otra forma de clasificar las herramientas es atendiendo al tipo de máquina punzonadora en la que van a ser montadas, bien sea una punzonadora monoútil o de torreta. Estas últimas, se pueden clasificar según el tamaño del alojamiento de la estación (figura 34):

Tipo A, conjuntos para alojamientos de 12,7 mm. (0,5 pulgadas), que permiten punzones de 1,6 a 12,7 mm. de diámetro o formas en el interior de una circunferencia de diámetro 12,7mm.

Tipo B, conjuntos para alojamientos de 31,7 mm. (1,25 pulgadas), que permiten punzones de hasta 31,7 mm. de diámetro o formas en el interior de una circunferencia de diámetro 31,7mm. Estas herramientas pueden montar punzones DIN 9861 del tipo D entre 5 y 17 mm.

Tipo C, conjuntos para alojamientos de 50,8 mm. (2 pulgadas), que permiten punzones de hasta 50,8 mm. de diámetro o formas en el interior de una circunferencia de diámetro 50,8 mm.

Tipo D, conjuntos para alojamientos de 88,9 mm. (3,5 pulgadas), que permiten punzones de hasta 88,9 mm. de diámetro o formas en el interior de una circunferencia de diámetro 88,9 mm.

Tipo E, conjuntos para alojamientos de 114,4 mm. (4,5 pulgadas), que permiten punzones de hasta 114,4 mm. de diámetro o formas en el interior de una circunferencia de diámetro 114,4 mm.

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Fig. 34.- Alojamientos para los punzones en la torr eta en una punzonadora LVD (modelo DELTA)

Cada fabricante de máquinas punzonadoras de CN tiene una forma particular de montaje en la torreta de los conjuntos B y la matriz C. El conjunto punzón debe ajustar adecuadamente en el alojamiento, ya que éste se desplaza a través de dicho alojamiento durante el punzonado de la chapa. Por otro lado, las herramientas para punzonadoras monoútil se pueden clasificar en dos tipos, atendiendo al elemento que presenta el sistema de unión a la máquina:

Sistema de unión dispuesto en el punzón. En este tipo de utillaje, el punzón y la placa separadora no están, por lo general, unidas en un cartucho, realizándose su montaje en la punzonadora, por separado (figura 35).

Sistema de unión está en otro elemento y el punzón está alojado en un cartucho. El cartucho incluye el sistema de extracción del punzón, generalmente de tipo resorte, y la placa de separación (figura 36).

Fig. 35.- Unión del punzón directamente a la máquin a. Esquema del cambio manual y automático de las má quinas Trumpf.

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Fig. 36.- Esquema de un cartucho para el montaje de l punzón de Mate Punch & Die Co

Con el fin de reducir los tiempos no productivos derivados de los cambios de herramienta, los fabricantes han desarrollado un conjunto denominado Multitool, que permite mediante el control del giro de un eje, la alineación del golpeador con diferentes punzones (figura 37). De esta forma, se cambia de punzón sin tener que realizar el giro de la torreta portaútiles o el cambio de herramienta. Sin embargo, con este tipo de útiles el punto en el que se realiza el punzonado cambia, por lo que el control debe realizar la corrección del mismo, desplazando la chapa adecuadamente. El material del punzón para espesores menores de 3mm, generalmente es acero rápido F-5603 (AISI M2) o F-5221 (AISI D2), que tienen buena resistencia al desgaste y una tenacidad media-baja. Para chapas de 3 a 8 mm. se recomienda utilizar aceros F-5220 (AISI 01) o F-5227 (AISI A2), que son aceros más tenaces que los anteriores pero menos resistentes al desgaste. Al igual que sucede con otras herramientas de corte, los punzones se presentan también recubiertos de TiC, TiN, CrC, W2C y TiC TiN. Con ello, se incrementa notablemente la vida del punzón, con un ligero aumento del coste del mismo. Los punzones pueden presentar filos en forma de elementos intercambiables, con lo cual, solamente se reemplazan las partes sometidas a mayor desgaste. Como se ha comentado anteriormente, la recuperación elástica del material cortado hace que éste quede retenido en la matriz. En este sentido, la acción del corte de una segunda pieza, presionará sobre la primeramente cortada, facilitando su expulsión. Sin embargo, el esfuerzo requerido en el segundo corte será superior al primero. Para reducir este esfuerzo, el contorno cortante de la matriz, va experimentando un aumento paulatino (figura 36), de manera que al descender las piezas cortadas, la resistencia de fricción lateral va disminuyendo. De esta forma, no trabaja sólo la parte superior de la placa matriz, y el punzón fricciona solamente en la arista de la matriz. Por otro lado, la conicidad de las matrices o bien pequeñas protuberancias, evita el regreso del material cortado a la mesa de la máquina. Puesto que el juego se da en la matriz, su selección se hace según el espesor de la chapa a cortar. Por esta razón, es habitual que en los talleres, se tenga un punzón y varias matrices para combinar con el fin de permitir diferentes juegos de corte y adaptarse a diferentes espesores de la chapa. su utilización con distintos espesores de chapa y materiales.

Fig. 37.- Accionamiento de una herramienta multitoo l de Strippit Inc. y herramienta multitool de Mate Punch & Die Co

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14 - Teoría del punzonado

Este artículo sobre la teoría del punzonado analiza las pautas y los requisitos necesarios para obtener una mayor produc tividad en el desarrollo de este tipo de proceso industrial. El a rtículo repasa aspectos fundamentales como son el ciclo de punzona do, la tolerancia de corte de la matriz, la problemática d e la subida de retales, los problemas de extracción, de adhesión d e material al punzón, de tonelaje, de los afilados y la vida del utillaje y analiza las principales aplicaciones de punzonado y las embutic iones. Además, ofrece una serie de consejos y recomendaciones que permitirán al lector optimizar el uso de su punzonadora de un mod o más rentable y efectivo.

Punzonado con punzonadoras CNC

Actualmente en el mercado podríamos clasificar las punzonadoras CNC en dos tipos en función del tipo utillaje que utilicen: las punzonadoras de torreta y las monopunzón. Las primeras tienen un doble tambor (torreta superior e inferior) donde van alojados los utillajes de punzonado. El utillaje se compone de un contenedor (portapunzón) que va montado en la torreta superior y que consta de una guía, un muelle, el punzón y el pisador. En la torreta inferior se montará la matriz. Esta torreta girará en función del programa para ir seleccionando los utillajes necesarios para realizar la pieza.

El segundo tipo de punzonadora tienen un almacén de utillaje. La punzonadora irá cogiendo y dejando los utillajes de ese almacén. Cada una de las posiciones del almacén dispone de un cassette donde están montados el punzón, el separador, la matriz y un anillo de orientación.

Los elementos básicos para realizar un agujero en una chapa son el punzón, el pisador o separador y la matriz. A estos tres elementos se les denomina juego.

Antes de entrar a valorar los diferentes aspectos que influyen en estos elementos analizaremos la geometría de un agujero realizado en la chapa por estos elementos.

Ciclo de punzonado

Para poder realizar el agujero de una forma y unas dimensiones determinadas, el juego (punzón, matriz y pisador) debe tener la misma forma. El ciclo de punzonado en ambos tipos de punzonadora es muy similar y la chapa debe estar siempre entre el punzón y la matriz.

En una punzonadora de torreta, la punzonadora hará girar la torreta y situará el utillaje justo debajo del martillo de la máquina. A partir de ese momento el martillo descenderá empujando al portapunzón.

El pisador contactará con la chapa presionando y sujetando la chapa manteniéndola plana contra la matriz. El martillo seguirá bajando, comprimiendo los muelles del portapunzón y haciendo descender al punzón. Éste iniciará la penetración en la chapa produciendo una pequeña curvatura en la chapa alrededor del filo cortante del punzón y de la matriz.

Seguidamente se iniciará una fase de corte que posteriormente se convertirá en unas fracturas en la chapa tanto en la parte superior como inferior debido al arranque del material. Cuando coincidan las fracturas anteriores, el retal correspondiente al agujero quedará suelto de la chapa. El martillo seguirá bajando hasta su límite inferior para facilitar la caída del retal. A continuación el martillo subirá y los muelles del contenedor extraerán el punzón de la chapa mientras el pisador mantiene la chapa completamente plana.

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En el otro tipo, la punzonadora deberá dejar el punzón situado debajo del martillo en su lugar del almacén e ir a buscar el utillaje deseado. La diferencia principal en el ciclo de punzonado es que el separador no presiona la chapa mientras el punzón está agujereando la chapa pero se mantiene a muy poca distancia de la superficie superior de la chapa. Otra diferencia es que el propio martillo es el que estira el punzón para sacarlo de la chapa. El separador actúa reteniendo la chapa cuando ésta tiende a subir junto con el punzón.

Geometría de un agujero

Una vez punzonado un agujero podemos distinguir las diferentes fases comentadas anteriormente si observamos el retal o el agujero en la chapa. Si analizamos un agujero punzonado en una chapa (figura 2) podremos distinguir la curvatura (A) que se crea cuando el punzón empieza a penetrar en la chapa. A continuación se puede observar una zona brillante (B) que se debe al corte del material ocasionado por el filo cortante del punzón. Luego aparece una zona mate, rugosa (C) que es la zona de material arrancada y finalmente aparece la rebaba del corte (D). Lo mismo se puede observar en el retal de chapa pero en posición inversa ya que el filo cortante es el de la matriz.

Estas cuatro zonas son las que determinarán la calidad de un agujero punzonado. La calidad del agujero vendrá condicionada por las características y condiciones del punzón, de la matriz y del pisador.

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Tolerancia de corte de la matriz

Para realizar un agujero de una dimensión concreta en una chapa de un espesor determinado, el punzón debe tener la misma dimensión que el agujero deseado y la matriz deberá tener una dimensión un poco mayor. Esa diferencia de dimensiones es conocida como tolerancia de corte de la matriz. Es muy importante que la tolerancia de corte de la matriz este uniformemente repartida alrededor de la medida del punzó, incluso en las esquinas. Por ejemplo, si un punzón es de diámetro 10 mm. y la matriz es de 10,2 mm. la tolerancia total de 0,2 mm. debe quedar uniformemente repartida de forma que entre pared de punzón y pared de matriz se mantenga una tolerancia de 0,1 mm. en todo el perímetro.

La tolerancia de corte adecuada (figura 3) es aquella que hace coincidir las fracturas de corte generadas por el punzón y por la matriz. Esto ocurrirá cuando las fracturas se encuentren a 1/3 o 1/2 del espesor de la chapa.

Si utilizamos una matriz con tolerancia demasiado ajustada se crearán dos fracturas que no se encontrarán. Esto es fácilmente apreciable ya que la zona brillante del agujero y del retal es mayor. Por otro lado, al ser la tolerancia menor implicará que sea necesaria una mayor fuerza para cortar por lo que el utillaje puede sufrir un mayor desgaste. Una tolerancia demasiado pequeña podría llegar a crear más rebabas por laminación.

Otro inconveniente es que a menor tolerancia es necesaria una mayor fuerza de extracción. Si utilizamos una tolerancia demasiado grande (Figura 4) se generará una curvatura mayor alrededor del agujero y las rebabas serán mayores. En el agujero y en el retal se observará que la zona de corte (zona brillante) es más pequeña mientras que la zona de arranque de material es mayor.

La tolerancia de corte adecuada de una matriz varía según el espesor y el tipo de material de la chapa. Normalmente se obtiene de un porcentaje con relación al espesor de la chapa.

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Como regla general se puede establecer que, a mayor esfuerzo de corte del material y a mayor espesor de chapa, la tolerancia de corte debe ser mayor. Por ejemplo, para chapas de un mismo espesor se necesitará una tolerancia de corte mayor para el inoxidable que para una de acero o de aluminio. Por otro lado una chapa de 6 mm. de espesor necesitará más tolerancia que una chapa de 1 mm.

Los valores de la tolerancia pueden variar desde un 15% a un 25% del espesor de material en función del espesor y tipo de material. Como regla general se podría aplicar como tolerancia de corte un 15% para el aluminio, un 20% para el acero y un 20-25% para el inoxidable.

A continuación mostramos una tabla en la cual se sugieren unas tolerancias de corte orientativas para el punzonado de diferentes materiales.

Espesor (mm.) Alum. (20-25 kg./mm 2) Fe (37-45 kg./mm 2) Inox (60-70)

0,6-1,0 0,1-0,15 0,12-0,20 0,12-0,20

1,2-1,5 0,20-0,25 0,25-0,30 0,25-0,35

2,0-2,5 0,30-0,40 0,40-0,50 0,45-0,60

3,0 0,45-0,50 0,60-0,70 0,70-0,80

4,0 0,70-0,80 0,80-1,0 0,90-1,2

5,0 0,9-1,0 1,0-1,2 1,2-1,4

6,0 1,1-1,2 1,2-1,5 1,5-1,8

Queda claro que utilizar una tolerancia de corte adecuada es muy importante. Resumiendo, podríamos concluir citando los beneficios de utilizar una tolerancia de corte adecuada:

Menor rebaba y curvatura en los agujeros. Agujeros más uniformes y cortes más limpios. Piezas punzonadas más planas, con menos deformaciones. Mayor precisión entre agujeros. Mayor vida del utillaje (punzón y matriz). Mejor extracción del punzón. Menor adhesión del material punzonado en las paredes del punzón.

Problemas de subida de retales

La tecnología de las nuevas punzonadoras permite que éstas puedan dar muchos golpes por minuto. Estas altas velocidades de punzonado pueden provocar que el retal del agujero punzonado tienda a subir hacia arriba. Esto puede provocar varios problemas en una punzonadora CNC. Dependiendo de la posición del retal puede ocasionar que la chapa al desplazarse se trabe con el propio retal moviéndose o saliéndose de las mordazas que la sujetan. Esto puede ocasionar desde un mal posicionamiento de los agujeros posteriores a que la chapa colisione con algún elemento de la máquina, ocasionando daños. También se dan situaciones en los que el retal sale completamente de la matriz. En este caso el riesgo es que el retal quede situado en la arista de corte de la matriz ocasionando daños en el utillaje durante el siguiente punzonado ya que en una zona de corte tendríamos el doble del espesor de chapa. Esto ocasionará daños al utillaje teniendo, en el mejor de los casos, que rectificar punzón y matriz.

En el mercado existen matrices con un mecanizado especial en su interior para evitar que los retales puedan subir, son las denominadas matrices es Slug Free. Estas matrices (ver figura 2) están mecanizadas interiormente con una doble conicidad. Cuando el retal es separado de la chapa el punzón sigue bajando. Como el mecanizado interior de la matriz se va reduciendo (centésimas) obliga al retal a comprimirse. Una vez que el retal pasa el punto de máxima compresión la conicidad de la matriz cambia y el retal, por elasticidad, tiende a recuperar su dimensión original. En ese momento será muy difícil que el retal pueda subir hacia arriba y facilitando la caída libre del retal. Existen también otros motivos que pueden provocar la subida de retales punzonados. Para evitar estos problemas citamos algunas medidas preventivas:

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Utilizar matrices Slug Free para facilitar la caída del retal. Desmagnetizar los utillajes después de rectificarlos. Cuando se rectifica el utillaje a veces se suelen utilizar

platos magnéticos para fijarlo. Esto puede provocar que se magnetice el utillaje. Cuando se punzonan materiales férricos el utillaje puede actuar como un imán atrayendo los retales.

Disminuir la tolerancia de la matriz. De esta forma se reduce la apertura por donde salen los retales, reduciendo la probabilidad de que estos puedan subir fácilmente.

Aumentar la penetración del punzón en la matriz llevando el retal lo más abajo posible. Esto es importante junto con el punto anterior cuando se punzona material protegido con plástico. De esta forma aseguraremos que el plástico se pueda romper en todo el perímetro del agujero.

Utilizar rectificados especiales en el punzón. De esta forma el retal no quedará plano y se pueden evitar el efecto ventosa y, por otro lado, obligará a aumentar la penetración del punzón.

Utilizar eyectores de uretano en el punzón. Los eyectores están situados en la superficie de corte de los punzones. Actúan como expulsores ya que estos se comprimen al inicio del ciclo de punzonado y cuando el retal ya está suelto de la chapa, lo impulsan hacia abajo.

Utilizar la lubricación automática de utillaje (ABS). El sistema ABS de algunas máquinas, basado en inyectar aceite pulverizado, ayuda a evitar que el retal pueda subir debido a la propia presión de aire.

Problemas de extracción

Como ya se ha explicado, en el ciclo de punzonado la última operación es la extracción del punzón de chapa. Hay que tener en cuenta cuando se realiza un punzonado y debido a la elasticidad del material la chapa tiende a comprimirse contra las paredes del punzón. Por este motivo es necesario que algún elemento ejerza una fuerza ascendente suficiente para que ayude al punzón a salir de la chapa. Dependiendo del tipo de punzonadora esta fuerza proviene de 2 fuentes distintas.

En las punzonadoras de torreta los punzones van montados en un porta-punzones. Éstos contienen unos muelles que son los que ejercerán la fuerza de extracción. Como la chapa tiende a comprimirse hacia las paredes del punzón también hay que evitar que la chapa suba junto con el punzón. Para solventar este problema en la parte inferior del portapunzones va instalado el pisador. Su función es mantener la chapa plana contra la matriz durante todo el ciclo de punzonado. Por lo tanto, durante la fase de extracción el pisador sujeta la chapa para evitar que esta suba junto con el punzón. Es importante que la situación física del punzón en el portapunzón esté siempre por encima del pisador, es decir, que no sobresalga. De esta forma aseguramos que la chapa se separe del punzón.

En las punzonadoras monopunzón la extracción la realiza la propia máquina estirando al punzón. Si la chapa sube junto con el punzón el separador, situado a poca distancia de la superficie de la chapa, éste actuará como tope evitando que la chapa suba. En este tipo de punzonadora el punzón debe estar situado físicamente por encima del separador. Para reducir problemas de extracción hay que facilitar la extracción del punzón de la chapa. Una de las soluciones más habituales y que suele ser estándar es que los punzones estén mecanizados con una conicidad negativa en la mecha. Esta conicidad (ver figura 5) suele ser una fracción de grado de forma que la medida del punzón no varía sustancialmente. Pero por otro lado, esta conicidad reduce la superficie de contacto y por tanto la presión que la chapa ejerce sobre las paredes del punzón. De esta forma reducimos la fuerza necesaria para realizar la extracción.

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Para punzonar cierto tipo de materiales especialmente problemáticos con la extracción como el inoxidable y/o grandes espesores de chapa, esta conicidad se puede aumentar (ver figura 6) para facilitar lo máximo posible la extracción.

Otras medidas para solventar la problemática de la extracción del punzón son:

Incrementar la tolerancia de la matriz. Queda claro que un agujero punzonado será cónico ya que, por la parte superior tiene la medida del punzón y por la parte inferior la medida de la matriz, que es más grande debido a su tolerancia. Si aumentamos la tolerancia de la matriz el agujero tendrá más conicidad y por tanto reduciremos la superficie de contacto entre punzón y chapa.

Verificar la fatiga de los muelles de extracción. Como todo elemento mecánico, los muelles están sujetos a una fatiga. Esto puede reducir la fuerza de extracción. Si fuese necesario se debe sustituir los muelles.

Mantener bien afilado el punzón y la matriz. De esta forma conseguiremos una mejor calidad de corte y evitaremos rozamientos innecesarios.

Utilizar lubricación de utillaje (ABS) y/o de chapa. Queda claro que lubricando la chapa y los punzones el coeficiente de fricción (rozamiento) se reducirá.

Utilizar una estación superior. Al cambiar a una estación superior, los muelles serán mayores y por tanto tendrán más fuerza de extracción.

Verificar que el punzón no tiene adherido material. Si a las paredes del punzón se ha adherido material, el rozamiento será mayor y será necesario más fuerza para extraer el punzón de la chapa.

Utilizar afilados especiales. De esta forma la fuerza de extracción necesaria será más prolongada pero no tan intensa.

Problemas de adhesión de material en el punzón

Este tipo de problema se produce debido a varios factores. Cuando se realizan varios punzonados, la temperatura de punzón aumenta. Teniendo en cuenta que cuando se realiza un agujero hay parte del material que es arrancado, es normal que ciertas partículas de chapa queden sueltas. Si además, existe una compresión del material contra las paredes del punzón es fácil que esas partículas se queden adheridas. Este tipo de problemas dependerá del mucho del tipo de material que se esté punzonando. Si se punzona aluminio o inoxidable las probabilidades serán mayores que si se punzona acero.

Para reducir esta problemática lo más sencillo es reducir la presión que ejerce la chapa sobre las paredes del punzón ya que sobre los otros factores es más difícil. Las acciones para reducir este problema son parecidas a las aplicadas para reducir los problemas de extracción: incrementar la tolerancia de la matriz, mantener bien afilado punzón y matriz, utilizar lubricación de utillaje (ABS) y/o de chapa.

Otras soluciones serán reducir la velocidad de punzonado y/o cambiar la secuencia de punzonado de forma que no se realicen muchos punzonados seguidos, de esta forma la temperatura no aumentará tan rápido.

Otra solución es aplicar ciertos tratamientos (nitrurado) o recubrimientos (de titanio) a los punzones. Este tipo de acción provoca que el coeficiente de fricción del propio punzón se reduzca. De esta forma, será más difícil que las partículas de material se puedan adherir a las paredes laterales del punzón. El nitrurado es un tratamiento térmico en una atmósfera de nitrógeno y los recubrimientos es una adhesión de unas pocas micras de un nitruro de titanio (máxima).

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Problemas de tonelaje

Es importante saber qué tonelaje va a ser necesario cuando realicemos un agujero para no sobrepasar el tonelaje máximo de la punzonadora. En caso contrario podríamos ocasionar daños al utillaje o a la máquina. El tonelaje necesario depende del perímetro de corte del punzón, del espesor de la chapa y del esfuerzo de corte del material a punzonar. Para calcular el tonelaje se debe aplicar la siguiente fórmula:

Perímetro x Espesor x Esfuerzo de corte = Toneladas 1.000

Para el esfuerzo de corte se suelen aplicar los siguientes valores: • Aluminio 20 – 25 kg./mm2 • Acero 37 – 45 kg./mm2 • Inoxidable 60 – 70 kg./mm2

Cada material tiene su esfuerzo de corte pero sería conveniente utilizar los valores máximos para poder tener un margen de seguridad. Para el cálculo de los perímetros adjuntamos una tabla donde aparecen algunas fórmulas para calcularlo en función de la forma geométrica del utillaje. Veamos un ejemplo. ¿Qué tonelaje necesitamos para realizar un agujero cuadrado de 35mm en chapa de 4 de acero?

• Perímetro = 4 x 35 = 140 mm. • Espesor = 4 mm. • Esfuerzo de corte para acero = 45 kg./mm2

Tonelaje necesario : 140 x 4 x 45=25,2 Toneladas 1.000

Cálculo de perímetros

Si tuviésemos una punzonadora que fuese de veinte toneladas no podríamos realizar este agujero de un sólo golpe. Para poder hacer el agujero deberíamos realizarlo con un punzón de menores dimensiones y en varios golpes. Cuando el agujero que queremos realizar sobrepasa el tonelaje o las dimensiones máximas del utillaje de nuestra punzonadora, existen múltiples soluciones para poder realizar ese agujero mediante la combinación de punzonados con formas estándar o especiales.

Otra posibilidad de reducir el tonelaje podría ser dar un afilado especial al punzón. De esta forma la fuerza necesaria será progresiva y no necesitaremos tanta fuerza de punzonado.

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Existen distintos tipos de afilado de punzón (ver figura 7). Además de poderse utilizar para reducir el tonelaje los afilados también se pueden utilizar para otras aplicaciones:

Reducir el ruido de punzonado. Para evitar la subida de los retales. Para evitar problemas de extracción. Para reducir el impacto sobre el utillaje y sobre la punzonadora.

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Problemas de afilado y vida del utillaje

¿Cuántos golpes puedo dar antes de rectificar un punzón o matriz? Ésta es la típica pregunta cuya respuesta es muy difícil de dar. El motivo es que existen muchas variables para poder dar una respuesta concreta.

Uno de esos factores es el espesor y el tipo de chapa que se esté punzonando. Está claro que la fuerza necesaria para punzonar aluminio de 1 mm. no es la misma que para punzonar 4 mm. de inoxidable. Cuanta más fuerza sea necesaria más se desgastará el utillaje.

Otro factor es el uso correcto de las tolerancias, del cual ya hemos hablado anteriormente. Si las tolerancias no son correctas y las fracturas no se encuentran, el utillaje deberá realizar más esfuerzos para realizar un agujero.

Se ha comentado también que la tolerancia debe estar uniformemente repartida y, partiendo de que el utillaje está bien mecanizado (centrado y orientado), el problema puede ser de la máquina. Puede existir un problema de alineación entre punzón y matriz achacable a la punzonadora.

Como problemas de alineación se puede dar el caso de que los centros del punzón y de la matriz no coincidan y/o que la posición angular de éstos no sea correcta. Se podría dar el caso que el problema sea de las chavetas/chaveteros de la máquina, portapunzones o cassettes, un mal montaje por parte del operario o que el mecanismo del index, que permite girar los utillajes, esté desfasado entre punzón y matriz. También es importante para la vida del utillaje lubricar los punzones, las guías y la chapa.

Está demostrado, y de hecho en algunas punzonadoras es estándard y en otras opcional, que la lubricación del utillaje (ABS) aumenta la vida del utillaje. También en muchas punzonadoras se puede instalar un sistema de lubricación de la chapa. Mecanizar radios de construcción en las esquinas de los utillajes puede aumentar su vida útil. Por ejemplo, en ciertas esquinas de algunos triángulos o en esquinas de cuadrados o rectangulares cuando se está punzonando chapa de cierto grosor.

Para ciertas aplicaciones es posible aumentar la vida del utillaje aplicando afilados especiales a los punzones. También se les pueda nitrurar o aplicarle un recubrimiento que aumente su dureza y reduzca el coeficiente de fricción. Pero lo más importante, en condiciones de funcionamiento adecuadas de máquina, para mejorara la vida de los utillajes es mantenerlos en las mejores condiciones de corte posibles. Para ello es necesario rectificarlos frecuente y adecuadamente. La recomendación habitual a la hora de rectificar un utillaje es tener que rectificar unos 0,25 mm. Esto quiere decir que tanto en el punzón como en la matriz el filo de corte se ha convertido en un radio de 0,25 mm. (ver figura 8)

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Hay que tener en cuenta que cada vez que se da un punzonado se crea un microradio debido al desgaste. Está claro que al realizar el siguiente punzonado las condiciones de corte son algo peores que en el punzonado anterior. Esto obligará a ejercer algo más de fuerza para poder realizar el agujero, por lo tanto, el punzón se desgastará un poquito más que en el punzonado anterior. Quede claro que este desgaste entre un punzonado y el siguiente es inapreciable, pero a fuerza de ir acumulando punzonados el desgaste va creciendo rápidamente.

Como ejemplo analicemos la tabla que aparece en la figura 9.

Afilado Inapropiado Afilado Apropiado

Total Agujeros Radio formado Total Agujeros Punzonados Radio formado

100.000 0.25 mm. 100.000 0.25 mm.

50.000 0.50 100.000 0.25

25.000 0.75 100.000 0.25

10.000 1.0 100.000 0.25

Total golpes: 185.000 Desgaste total : 1.0 mm. 400.000 1.0 mm.

Supongamos que hasta que se crea un radio de 0,25 mm. en el filo de corte hemos realizado 100.000 golpes. Si rectificamos 0,25 mm. estaremos en condiciones óptimas de punzonado y podremos dar 100.000 golpes más. Siguiendo este procedimiento cuando hayamos rectificado hasta 1 mm. habremos dado 400.000 golpes. Supongamos que después de que el filo de corte del punzón se haya redondeado a un radio de 0,25 mm. no afilamos el utillaje. Al no estar en las mejores condiciones de corte el utillaje cuando tuviese que rectificarse 0,5 mm. (0,25 más que antes) dará 50.000 golpes. Si seguimos este procedimiento el número de golpes correspondiente para cada afilado de 0,25 mm. más, será menor. En total, cuando tuviésemos que rectificar un total de 1 mm. habremos dado 185.000 golpes. Observamos que, depende del procedimiento de rectificado que sigamos, podemos dar el doble de golpes. En resumen, un buen mantenimiento del utillaje puede alargar mucho la vida útil de los utillajes y que es el mejor remedio para alargarla.

Aplicaciones especiales de punzonado

A continuación comentaremos algunas situaciones especiales de punzonado

Punzonado en grandes espesores

Cuando se debe realizar punzonados en espesores grandes pueden aparecer la mayoría de problemas asociados al punzonado. Teniendo en cuenta lo expuesto anteriormente resumiremos los puntos a tener en cuenta en esta situación:

Tener los utillajes en las mejores condiciones de corte, bien afilados. Utilizar la gama más alta de tolerancias. Utilizar punzones con conicidad negativa extra (2º en total). Si es posible utilizar radios en las esquinas para un menor desgaste del utillaje Lubricar el utillaje (ABS) y la chapa. Utilizar velocidades de punzonado y velocidades de desplazamiento de ejes lentas. Inspeccionar frecuentemente el estado de los utillajes. Aplicar afilados especiales a los punzones.

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Agujeros con dimensiones inferiores al espesor

Hay situaciones en las que es necesario realizar agujeros que tienen alguna dimensión inferior al espesor de la chapa. En estos casos el riesgo de que se rompa el punzón aumenta. Cuando la mecha de un punzón con dimensiones inferiores al espesor de la chapa inicia el ciclo de punzonado, tiende a flexar y por tanto a romperse.

Existen utillajes llamados completamente guiados en los que el pisador cumple una función extra: guiar la parte inferior de la mecha del punzón. La apertura del pisador con relación a la dimensión del punzón es sólo de 0,04 mm. de forma que evita la flexión de la mecha del punzón. Al evitar esta flexión y guiar al punzón conseguimos que éste entre más centrado en la matriz, con lo que la uniformidad de la tolerancia de corte será mejor. De esta forma la vida útil de los utillajes aumentará y la calidad del punzonado será inmejorable. En la tabla inferior se muestra la relación entre la dimensión mínima de un utillaje y el espesor de la chapa tanto para el utillaje estándar como para el utillaje guiado.

Relación entre dimensión mínima y espesor de chapa según el material

Material Utillaje estándar Utillaje Guiado

Aluminio 0.75 a 1 0.5 a 1

Aluminio 1 a 1 0.75 a 1

Inoxidable 2 a 1 1 a 1

Este tipo de utillajes son muy recomendables para recortar, ya que suelen utilizarse mucho y es importante para la calidad final de la pieza. También es aconsejable para los típicos punzones que se utilizan para recortar ya que, a veces, se debe punzonar una área mucho menor que la del punzón, lo que crea que éste tienda a desviarse. Por el mismo motivo es aplicable para operaciones de muescado (nibbling) con redondos. Con este tipo de utillajes se ha llegado a realizar agujeros de diámetro 2,5 en chapa de 6 mm. de acero st52 en una punzonadora combinada con láser Amada para poder iniciar el corte desde un agujero y evitar tener que realizar la perforación con el láser.

Cuando los retales son la pieza buena (Blanking)

En ciertas ocasiones es posible cortar el contorno de una pieza pequeña de un sólo golpe. Hay tener en cuenta que el retal de punzonado siempre es cónico debido a la diferencia de dimensiones entre punzón y matriz. Por este motivo es importante determinar las tolerancias críticas de la pieza. También habrá que determinar si las dimensiones de la pieza se aplican al punzón o a la matriz. En este tipo de piezas la tolerancia de corte se suele reducir un 5% para que la pieza sea lo menos cónica posible. Es muy importante que los utillajes estén en buenas condiciones de corte y se deben inspeccionar frecuentemente. En función de la geometría de la pieza es posible que el retal no quede plano. En ese caso, se debe aplicar un afilado especial al punzón para compensar. En la figura 10 se pueden ver algunos ejemplos.

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Necesidad de realizar un agujero lo más recto posib le (shaving)

En ocasiones es necesario que las paredes del agujero que debemos punzonar tenga las paredes lo más rectas posibles. Para ello, el agujero se debe realizar con dos punzonados. El primer punzonado lo realizaremos con una tolerancia normal y el segundo se realizará con una tolerancia lo más pequeña posible con la finalidad que la diferencia entre punzón y matriz sea mínima. Una aplicación podría ser el realizar un agujero previo en chapa gruesa para luego roscarlo en lugar de realizar una extrusión. En la figura 11 podemos observar los retales del segundo punzonado.

Embuticiones

En este apartado comentaremos de forma muy general los problemas asociados a las embuticiones.

Una embutición es crear una deformación en un lugar determinado de la chapa. Los utillajes de embutición pueden ser únicamente de embutición, de punzonado y embutición, de corte y embutición, de embutición en continuo y estampado. Se pueden crear deformaciones tipo avellanado, extrusiones para métricas, rejillas de ventilación, embuticiones para roscar directamente tornillo roscachapas, estampar logotipos, botones de localización, etcétera.

Normalmente los utillajes de embutición realizan la deformación hacia arriba para evitar problemas de colisiones cuando la chapa sea desplazada. Por lo tanto, podríamos decir que el utillaje de embutición trabaja al revés. El punzón suele estar abajo y la matriz arriba. Por este motivo hay que tener en cuenta que las matrices del utillaje de embutición son más altas que las matrices normales. Suelen tener un sistema de extracción que consiste en unos muelles que van en el interior de la matriz para ayudar a extraer la chapa del punzón que está en la parte inferior.

Según el tipo de embutición también puede llevar extracción en la parte superior (matriz). El motivo de que sean más altas es para que cuando el útil superior llegue al límite inferior de punzonado comprimiendo los muelles de extracción, la matriz tenga la misma altura que una matriz de punzonado. De esta forma la chapa quedará plana y no se deformará.

Semi-corte

Debido a esa diferencia de altura de las embuticiones hay que tener en cuenta una serie de consideraciones:

Realizar las embuticiones como última operación de la pieza. Trabajar a velocidad de punzonado lenta. Situar la pieza que la embutición este lo mas lejos posible de las mordazas. Utilizar matrices con bola para ayudar a la chapa a salvar la diferencia de altura

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Embutición en una punzonadora de torreta

Otras consideraciones a tener en cuenta son:

Lubricar la chapa y utilizar el sistema de lubricación de utillaje (ABS) para facilitar el deslizamiento de la chapa durante la deformación.

Los utillajes de embutición precisan de una regulación de la carrera del martillo diferente a la de punzonado. Si no es posible regular la carrera del martillo se deberá regular la altura del utillaje.

Para encontrar la regulación correcta se debe escoger una carrera corta o reducir la altura total del utillaje. Luego, ir incrementando poco a poco la carrera o la altura del utillaje hasta conseguir la embutición deseada

Procurar no utilizar las estaciones adyacentes a una embutición como estaciones de punzonado. Es importante estudiar el lugar de la torreta donde se sitúan los utillajes de embutición.

Los utillajes de embutición suelen estar diseñados para un espesor de chapa determinado. La máxima altura de embutición depende de varios factores como el espesor de la chapa, el tipo de chapa,

la luz máxima entre punzón y matriz o entre torretas, del tipo de embutición, etcétera.

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15 - Plegado de chapa con un punzón y una matriz

El plegado de chapa con un punzón y una matriz mont ados en una plegadora es un hecho bastante natural y habitual. En principio no parece que esta operación sea complicada y difícil. No obstante, el plegado de chapa no es tan simple como parece.

Muchos operarios encuentran inexplicables problemas durante el proceso de plegado. Por ejemplo, problemas como que no se obtienen los perfiles deseados, que el perfil está fuera de las tolerancias dimensionales que se exigen, marcas en las piezas o roturas durante el proceso de plegado.

A continuación explicaremos que existen tres tipos de plegado en relación a la fuerza de plegado aplicada.

Tipos de plegado

Al realizar un plegado de una chapa en una plegadora, esta se ve sometida a una presión gradual al estar situada entre el punzón y la matriz. El plegado de la pieza estará en relación con la fuerza aplicada. Esto podría ser representado en un gráfico donde se tenga en cuenta los grados a los que se pliega la chapa y la fuerza aplicada.

Entendemos que la chapa plana se corresponde con 180º. Lo primero que observamos en el gráfico es que para empezar a plegar necesitamos una cierta cantidad de fuerza. Una fuerza inferior a esta no produce deformación en la chapa cuando la fuerza cesa. Esto se debe a la elasticidad del material.

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A medida que prosigue el plegado la fuerza debe aumentar hasta los 135º aproximadamente. A partir de aquí la fuerza necesaria desciende ligeramente hasta los 100º. A esta zona le llamaremos región 1.

A partir de este punto a medida que desciende el ángulo de plegado aumenta la fuerza necesaria. Para conseguir plegar los 90º necesitamos una fuerza superior a la necesaria para conseguir 130º. La fuerza necesaria para plegar 90º se denomina “fuerza necesaria”. Si seguimos presionando la pieza llegaremos a unos pocos grados por debajo de los 90º. A esta zona le llamaremos región 2.

Si seguimos aplicando más fuerza el ángulo de plegado volverá a ser otra vez 90º. La fuerza necesaria será una 6 veces mayor que la “fuerza necesaria”. En esta zona para conseguir una pequeña variación en el ángulo de plegado es necesario un incremento muy grande de fuerza. A esta zona le llamaremos región 3.

A las regiones 1, 2 y 3 les llamaremos plegado parcial, plegado a fondo y acuñado o estampado. A partir de este punto al plegado parcial y al plegado a fondo los unificaremos y nos referiremos a ellos como plegado al aire.

Retorno elástico

En la figura inferior podemos observar el efecto del retorno elástico de una pieza plegada. Las líneas continuas representan el ángulo de la chapa cuando está siendo plegada, es decir, mientras la chapa está siendo presionada entre el punzón y la matriz. Las líneas discontinuas representan el ángulo de la pieza después de ser plegada, cuando la chapa no está sometida a presión.

Cuando realizamos un plegado, la elasticidad de la chapa no se elimina aunque el esfuerzo producido en la chapa haya excedido el límite elástico. Podemos considerar al límite elástico como el punto donde la chapa cede al esfuerzo. La plasticidad está más allá de ese punto. Este es el motivo del retorno elástico.

En la figura superior podemos ver que al realizar un plegado la parte interior de este es comprimida y la parte exterior es extendida o alargada. Entre estas caras existe un plano intermedio, llamado neutro, en el cual no se produce ni comprensión ni extensión.

Cuando una chapa es plegada, los esfuerzos que son opuestos actúan en la cara interior y exterior de la chapa. En general, la resistencia a la compresión de la chapa es mucho mayor que su resistencia a la tracción (extensión). La presión ejercida deformará permanentemente la parte exterior de la chapa, pero la parte interior no llega al límite elástico. Por tanto, la parte interior tiende a recuperar su forma inicial. Puesto que el esfuerzo es una fuerza de resistencia que actúa en oposición a la fuerza externa aplicada, el esfuerzo de compresión actúa hacia fuera de la cara interior. Este esfuerzo de compresión se convierte en retorno elástico.

Plegado fondo

El plegado a fondo es uno modo de plegado muy habitual porque se puede plegar con precisión con un tonelaje relativamente bajo.

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En la figura inferior la ‘T’ representa el espesor, la ‘V’ la anchura de la matriz y Ri el radio interior de plegado de la pieza. La anchura de la V adecuada varía con el espesor de la chapa. En la tabla podemos observar la relación de la anchura de la V con relación al espesor de la chapa. Observamos que a mayor espesor de chapa mucho mayor debe ser la V. Existen otros aspectos a tener en cuenta para escoger la V adecuada para realizar un plegado que serán comentados más adelante.

Por experiencia se sabe que en este tipo de plegado el radio interior de la chapa plegada es un sexto de la anchura de la V (Ri = 1/6 x V). Por otro lado sabemos que la V varia entre 6 y 12 veces el espesor de la chapa. Por tanto, el radio interior de plegado variará entre un valor igual al espesor de la chapa (espesores finos) y el doble del espesor de la chapa (espesores gruesos).

En este tipo de plegado se ha de tener en cuenta el retorno elástico del material. Este es el motivo por el que existen utillajes con diversos ángulos similares (90º-88º-85º).

Ri= V / 6 = 6 T / 6 = T

y también

Ri = V / 6 = 12 T / 6 = 2T

Plegado parcial

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El nombre de plegado parcial se debe al hecho de que la chapa durante el plegado está en contacto con 3 puntos (A, B y C del dibujo inferior) del utillaje.

Con este método de plegado es posible plegar una gran variedad de ángulos. Por ejemplo, con un punzón y una matriz de 30º podemos realizar cualquier plegado desde 180º (chapa plana) hasta un plegado de 30º. Esto lo conseguiremos controlando la penetración del punzón en la matriz. Para ello necesitaremos una plegadora con Control Numérico para que este control sea fácilmente realizable. Con este tipo de plegadoras podremos programar diferentes plegados aunque estos tengan diferentes ángulos de plegado ya que para cada uno de ellos programaremos la profundidad correspondiente. Por otro lado este tipo de plegado permitirá compensar el retorno elástico ya que solo debemos corregir la profundidad de plegado.

Acuñado / Estampado

El método de acuñado conseguimos dos ventajas; una precisión muy alta y un radio de plegado muy pequeño. En el dibujo observamos el momento en que está acuñando la chapa y que el pequeño radio del punzón penetra en la chapa. Si además le aplicamos un gran tonelaje eliminaremos los posibles efectos del retorno elástico de la chapa. Este es el motivo por el cual el acuñado necesita un tonelaje entre 5 y 8 veces superior al del plegado a fondo.

Para este tipo de plegado la anchura de la V suele ser de 5 veces el espesor de la chapa para reducir la penetración de la punta del punzón en la pieza reduciendo el radio interno de plegado. También conseguiremos aumentar la presión al reducir el área de contacto de la matriz.

Como ya se ha comentado con este sistema de plegado es necesario una plegadora de gran tonelaje. En función del tonelaje de la plegadora tendremos el limite del espesor de chapa a plegar. Otro de los factores que determinarán el limite de que espesor podemos plegar es el limite de fuerza que puede soportar el tablero superior (“trancha”) que suele ser de unas 100 toneladas por metro.

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Características generales del plegado al aire y el acuñado

De una forma sencilla podríamos decir que la diferencia entre un plegado al aire y el acuñado es que en el primero es donde existe “aire” en algún lugar entre la matriz y la chapa. De todas formas más adelante explicaremos en detalle los 3 tipos de plegado.

Las características principales del plegado al aire son:

La fuerza de plegado es relativamente pequeña. Por tanto la plegadora no deberá ser de gran tonelaje, lo que abaratará el precio de esta. Podríamos decir que es un sistema de plegado económico

Hay que tener muy en cuenta el retorno elástico del material para poder obtener una buena precisión en el plegado

Las características principales del acuñado son: Es necesario una plegadora de gran tonelaje, de unas 5 a 8 veces más que una plegadora pensada para

plegar al aire. Por tanto el coste de la plegadora será elevado. La precisión de plegado es muy buena, independientemente del retorno elástico. El utillaje debe ser acorde

de las necesidades de este tipo de plegado.

Debido a los adelantos de la tecnología actualmente se tiende a plegar al aire. La mayoría de plegadoras tienen control numérico (CNC), ya sea por que son nuevas o porque a las más antiguas se les ha adaptado uno. Por tanto el problema del retorno elástico se suele compensar fácilmente mediante el CNC tal como hemos explicado en el apartado del plegado parcial.

Tabla de plegado

La tabla de plegado es un instrumento básico para realizar cualquier operación de plegado. A continuación explicaremos la información que nos puede suministrar y la relación entre diversos parámetros que aparecen y que influyen en el plegado.

La tabla de plegado nos muestra la fuerza de plegado necesaria por metro para un plegado al aire. Los valores que podemos obtener son:

Espesor (T) de la chapa expresado en mm. en la columna de la izquierda. Anchura de la V de la matriz en la primera fila expresada en mm. Se muestran las V estándar que se suelen

comercializar. Ala mínima de plegado (b) que se puede plegar. Medida exterior expresada en mm. Para realizar un

plegado con precisión y seguridad es necesario que durante todo el proceso de plegado la chapa se encuentre siempre apoyada en los extremos de V de la matriz. En caso contrario la chapa se puede deslizar hacia el interior de la matriz y por tanto la línea de plegado puede cambiar y ser peligroso.

Radio interno (Ri) de plegado de la chapa que se obtendrá. Como hemos mencionado anteriormente el radio de plegado es aproximadamente una sexta parte de la anchura de la V.

Fuerza de plegado por metro necesaria para plegar acero de 45-50 Kg./mm2 . Para determinar la fuerza necesaria primero se ha de determinar la V necesaria para el espesor T de la chapa que queremos plegar. Seguir en horizontal la línea del espesor de chapa hasta que se encuentre con la columna correspondiente a la V seleccionada. Por ejemplo, si escogemos una V=12 para plegar chapa de 2 mm. de espesor encontraremos que la fuerza necesaria es 22 toneladas por metro. Si el espesor T es 6 y la V=50 la fuerza necesaria será de 48 toneladas por metro.

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Relación entre Fuerza de plegado F y la anchura de la matriz V

Para plegar chapa de 1 mm. de espesor podemos utilizar una V de 6 o de 8 mm. La fuerza necesaria es de 11 t y 8 t respectivamente. Observamos que para un mismo espesor de chapa cuando aumentamos la anchura de la V disminuye el tonelaje necesario. Esto sucederá siempre. Por tanto, decimos que la Fuerza necesaria F es inversamente proporcional a la anchura de la matriz V. Esto se expresa:

Para plegar chapa de 3 y de 4 mm de espesor necesit amos 19 y 34 toneladas respectivamente. Observamos que la fuerza proporcionalmente ha aumentado mucho mas que lo que ha aumentado el espesor. En el primer caso el espesor se ha doblado y la fuerza se ha multiplicado por 4. En el segundo caso el espes or aumenta un 33% pero la fuerza aumenta casi un 80%. La relación entre la variación del espesor y de la fuerza viene determinada por el cuadrado del espesor de ch apa. Esto se expresa como:

Relación entre Fuerza de plegado F y la longitud de plegado de chapa l

La fuerza necesaria de la tabla es la fuerza necesaria para plegar chapa de 1 m de longitud. La fuerza total de plegado:

F2 = F1 x (T1 / T2)2

Relación entre Fuerza de plegado F y el espesor de chapa T

Si con una misma anchura de matriz V =12 plegamos chapa de 1 y de 2 mm. de espesor observamos que la fuerza necesaria es de 6 y 22 t respectivamente. Con una V=32 al plegar chapa de 3 y de 4 mm. de espesor necesitamos 19 y 34 toneladas respectivamente. Observamos que la fuerza proporcionalmente ha aumentado mucho más que lo que ha aumentado el espesor. En el primer caso el espesor se ha doblado y la fuerza se ha multiplicado por 4. En el segundo caso el espesor aumenta un 33% pero la fuerza aumenta casi un 80%. La relación entre la variación del espesor y de la fuerza viene determinada por el cuadrado del espesor de chapa. Esto se expresa como:

Relación entre Fuerza de plegado F y la longitud de plegado de chapa l

La fuerza necesaria de la tabla es la fuerza necesaria para plegar chapa de 1 m de longitud. La fuerza total de plegado de una chapa es directamente proporcional a la longitud de plegado. Esto quiere decir que si queremos plegar chapa de 1,2 mm. de espesor con una V=8 necesitaremos una fuerza de 12 t por metro (T/m). Si la longitud que queremos plegar es de 2.400 mm. necesitaremos una fuerza total de 2,4 m x12 T/m = 28,8 t. Esta relación se expresa como: FTOTAL = l x FTABLA, siendo l la longitud a plegar expresada en metros y FTABLA el valor de t/m que aparece en la tabla.

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Este dato nos indicará la fuerza total necesaria para realizar la pieza. Como límite superior nos encontraremos el tonelaje máximo de nuestra plegadora.

Para plegar longitudes pequeñas el tonelaje será pequeño, lo cual resulta engañoso con relación al tonelaje máximo que puede soportar un punzón o una matriz. Para saber si estos pueden soportar el tonelaje se han de comparar siempre para la misma longitud de plegado. Por ejemplo, si necesitamos 8 t para realizar una plegado de 100 mm. esto implica que el utillaje que utilicemos debe soportar como mínimo 80 t por metro. Esta es muchas veces la causa de deteriorar utillaje de plegadora.

V 4 6 7 8 10 12 14 16 18 20 25 32 10 50 63 81 100 125 160 200 250

B 2,8 4,0 5,0 5,5 7,0 8,5 10 11 13,5 14 17,5 22 28 35 45 55 71 89 113 140 175 T

Ri 0,7 1,0 1,1 1,3 1,6 2,0 2,3 2,6 3,0 3,3 4,0 5,0 6,5 8 10 13 16 20 26 33 41

0,5 4 3

0,6 6 4 4 4

0,8 7 7 5 4

1,0 11 10 8 7 6

1,2 14 12 10 8 7 6

1,4 15 13 11 10 9 8

1,6 17 15 13 11 10 9

2,0 22 19 17 15 13 11

2,3 25 23 19 17 15 12

2,6 28 25 22 18 14

3,0 34 30 24 19 15

3,2 34 27 22 17 14

3,5 33 26 20 16 13

4,0 43 34 27 21 17

4,5 44 34 27 21

5 52 42 33 26 21

6 60 48 38 30 24

7 52 41 33 26

9 67 54 43

10 85 67 53 42

12 96 78 60 55

16 136 107 86

19 150 125 100

22 160 130

25 210 170

30 240

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Relación entre Fuerza de plegado F y la resistencia de la chapa

Como hemos comentado los valores de fuerza que aparecen en la tabla es para un material con una resistencia de �acero = 45 – 50 kg./mm2 . Esta resistencia se corresponde con un acero dulce (0,2% de Carbono). La fuerza necesaria para otro tipo de material se puede calcular fácilmente ya que esta es directamente proporcional a la resistencia de la chapa. Por tanto, para poder calcular la fuerza necesaria para plegar acero inoxidable (�inox = 65 kg./mm2) tenemos,

Finox = Facero x (�inox / �acero) Este cálculo sería válido para cualquier otro material.

Una vez calculado este dato es importante verificar si el punzón y la matriz que queremos utilizar puede soportar este tonelaje.

A continuación adjuntamos una tabla en la que aparece la resistencia de diversos materiales.

Ejemplos de cálculo y uso de la tabla de plegado

A continuación plantearemos unos ejemplos para el uso de la tabla de plegado

Qué fuerza se necesita para realizar un plegado de 4 metros en chapa de 1,6 mm. de acero inoxidable (resistencia 65 Kg./mm2)? Lo primero será determinar que matriz utilizar: V = 6 x Espesor = 6 x 1,6 = 9,6 Como la V no suele existir elegiremos la medida comercial más próxima V=10 Leyendo la tabla tenemos que para plegar espesor de 1,6 mm. se necesitan 17 t Pero este tonelaje es para chapa de 45 kg./mm2 . Por tanto, la fuerza necesaria será: F= 17 x (60/45) = 22,66 t. Redondeando se necesitan 23 t

Qué fuerza se necesita para realizar un plegado de 3 metros en chapa de 2,5 mm. de acero dulce (resistencia 45 Kg./mm2)? La V= 6 x 2,5 = 15 V=16

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Como este espesor no aparece en la tabla buscaremos el más cercano y teniendo en cuenta que la fuerza es inversamente proporcional al cuadrado del espesor determinaremos la fuerza necesaria. La fuerza para T=2,6 es 28 t

F = 28 x (2,5/2,6)2 = 26,92 F=27 t

Qué fuerza se necesita para realizar un plegado de 2 metros en chapa de 12 mm. de acero dulce (resistencia 45 Kg./mm2) y con un ala de 100 mm.

La V será: V= 12 x espesor = 12 x 12 = 144 V=160

Si miramos en la tabla veremos que una V=160 admite un plegado mínimo de 113 mm. Por tanto está V no nos es válida ya que nuestra ala de plegado es de 100 mm. Tendremos que escoger la V inmediatamente inferior: V=125 que permite realizar plegados de alas a partir 89 mm. Por tanto, la fuerza necesaria para un espesor 12 mm con una V=125 es de 78 t/m. En este punto es importante verificar si el punzón y la matriz que vamos a utilizar pueden soportar este esfuerzo. En caso contrario podríamos dañar el utillaje.

Para 2 metros de longitud la fuerza necesaria será F = 78 x 2 = 156 t

Calcular la fuerza necesaria para plegar 800 mm. de chapa de 3 mm. de aluminio (25 Kg./mm2) con una V=16 mm.

La V adecuada sería V=24 mm. Sea por el motivo que sea (ala mínima necesaria o radio de plegado interno) no recomendamos utilizar V que no se correspondan con más de un lugar de la tabla que no tenga valor de fuerza. Como no existe valor en la tabla tomaremos el valor más cercano (V=18 – 34 t).

De acuerdo con la resistencia del material F = 34 x (25/45) = 18,88 t.

De acuerdo con la anchura de matriz V y teniendo en cuenta que la fuerza es inversamente proporcional a V:

F = 18,88 x (1 / (16/18) ) = 21,25 t

Como la longitud es de 800 mm., o sea, 0,8 metros F=21,25 x 0,8 = 17 t

Además de la tabla de plegado existe una fórmula para poder calcular el tonelaje necesario. En esta fórmula entran todos los parámetros anteriormente vistos. La fórmula es la siguiente:

F = k x (� x l x T2) / (V x 1000) (t)

s = Resistencia material (kg./mm2) l = longitud de plegado T = espesor de la chapa V = Ancho matriz k = Constante

El mayor problema de esta formula es determinar el valor de la constante k ya que varía según la relación de los parámetros V y T. El valor de k puede oscilar entre los valores 1 y 2. Cuando V es igual a 8 veces el espesor (V=8T) el valor de k es de 1,33.

Como orientación podemos decir que a cuando menor es la relación V/T, mayor es el valor de k. Debido a estas variaciones la formula resulta imprecisa por lo que recomendamos utilizar la tabla.

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16 - Desarrollo y Optimización de Laminación en Frío

Debido a su gran variedad de aplicaciones, las piez as laminadas en frío se han vuelto cada vez más importantes en los últimos años, y se han introducido en sectores completamente nuevos co mo la industria automovilística. Las razones para esto incluyen la utilización de nuevos tipos de materiales y diseño mejorado de her ramientas de conformado. La laminación en frío se ve como un pro ceso altamente productivo para la fabricación de perfiles en acero por medio del conformado continuo de chapas metálicas con rodillo s motrices. Las ventajas particulares de este proceso son la varied ad casi ilimitada de forma del perfil de las secciones, y el endurecimie nto tensional del material como resultado del conformado, lo cual se puede convertir en una gran ventaja en muchos casos. Estos son los beneficios. Pero hay también desventajas como, en muchos casos, el consumo de tiempo derivado del diseño y fabricación de las herramientas (los rodillos en este caso), la instalación, puesta a punto y prueba de los trenes de rodillos, o tensiones internas indeseables o deformación del producto final. Lo cual nos lleva directamente al asunto del software de análisis y optimización, presentando un completo conjunto de potencial para remediar la situación. Para conseguir que la laminación en frío funcione con toda su eficacia, usted necesita aplicar los métodos ya en las fases de diseño del perfil y las herramientas, fases que pueden jugar un papel crucial en la mejora de la calidad de la sección perfilada.

Desde hace ya algunos años la compañía de software data M, basada en Baviera, ha venido ofreciendo una cadena del proceso virtual para el diseño y validación de juegos de rodillos en la fabricación por laminación y perfilado. El programa de software Copra RF (roll forming, laminación) ofrece un inestimable apoyo en todos los pasos del desarrollo de perfiles tanto abiertos como cerrados: desde el diseño de la sección final a fabricar, pasando por la definición de las distintas etapas de conformado (pasadas o flor) a la generación de la documentación técnica (planos de fabricación, listados de piezas, programas CNC, etc.), y el posterior control de calidad de las secciones del perfil y herramientas de rodillos. Estos últimos trabajos con instrumentos ópticos especialmente desarrollados para la aplicación (Copra RollScanner y Copra LaserCheck).

En concepto multietapa acelera tanto el diseño como el proceso analítico, satisfaciendo las necesidades del diseñador que quiere crear un juego de rodillos de forma rápida, así como las del director de producción interesado en comprobar el posterior proceso de laminación tan pronto como sea posible.

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Diseño rápido y optimización de conformado de perfi l con Copra DTM (módulo de tecnología de deformació n)

Simulación rápida por el análisis de la deformación

Tomando la idea del usuario final, se crea una flor del perfil con un programa de dibujo. Los datos CAD resultantes se introducen en el programa de análisis Copra DTM (módulo de tecnología de la deformación) – para diseñar las estaciones de conformado. En cuestión de segundos, este programa de software computa las deformaciones (elásticas y plásticas) teóricas en el material durante el conformado como una función de las variables que tienen influencia en el proceso, como son la geometría de la sección del perfil, el espesor del material, la configuración del rodillo o el diámetro. De esta manera puede indicar dónde el material podría estar sobretensionado. Este rápido programa de simulación le permite contemplar una serie completa de diferentes variantes de conformado, y corregir la flor dibujada o el número de estaciones de trabajo y las dimensiones de las herramientas, según sea necesario, antes de empezar con el trabajo al detalle o incluso la producción de los propios rodillos.

Esto permite un gran ahorro de tiempo, y reduce el riesgo de tener que reelaborar los rodillos después durante la puesta en marcha, o incluso tener que hacerlos de nuevo. En muchos casos, la principal causa de baja calidad en el perfil es deformación residual local de la chapa (deformación interna) producida por elongación durante el conformado. Además de las cifras teóricas de este alargamiento en la parte superior y/o inferior del metal, Copra DTM predice cómo estas cifras se distribuyen en la sección transversal.

Por qué esto es tan importante se debe a que todavía hay un gran debate sobre la así llamada elongación del borde de chapa, incluso aunque la mayor parte de las secciones de perfiles que se fabrican están de hecho tensionadas todo a lo largo de dicha sección durante el proceso de conformado. Este efecto se puede ver con total claridad en los materiales prepunzonados. Los agujeros punzonados antes de que el material entre en la línea se deforman por las elongaciones plásticas causadas por las estaciones de rodillos.

Una vez que el diseño de la flor y los detalles del juego de rodillos son definitivos, es posible generar la documentación completa por mecanizar los rodillos, es decir las listas de corte, los planos de fabricación y los datos CNC, y fabricar así los rodillos. Después de esto, la herramienta se monta en la planta de conformado. Sin el tipo de optimización de la flor anteriormente descripto, varios intentos de montaje con sus correspondientes ajustes serán normalmente necesarios, a veces incluso la modificación estructural de las herramientas, antes de que una nueva sección con la calidad requerida salga de la línea.

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No hace tanto tiempo, la única manera de crear un juego de rodillos que funcionase correctamente consistía en reiteradas pruebas de ensayo y error sobre la máquina. Hoy en día ya hay una alternativa, una posibilidad de acelerar este proceso de creación de un nuevo conjunto de rodillos para la fabricación de un determinado perfil (que tanto tiempo y recursos económicos consume) a la vez que se evita la reelaboración de las herramientas. Se trata de la simulación por el método de los elementos finitos (FEM).

Deformación de perforación rectangular en conformad o de tres etapas y seis etapas (Copra FEA RF)

Simulación por FEM del proceso de laminación

Una vez que el juego de rodillos ha sido completamente diseñado, los datos se introducen en el programa de simulación FEM. El Copra FEA RF (análisis por elementos finitos de rodillos de laminación) simula el proceso de laminación por un modo de computación no lineal y elastoplástico. El usuario puede olvidarse de preguntas como la definición del modelo computacional de elementos finitos, formulación de datos discretos, selección de tipos de elementos adecuados o aplicación de condiciones de contorno. La aplicación informática totalmente integrada en la cadena de proceso de Copra considera automáticamente estos factores.

Varias funciones analíticas muy potentes predicen para el usuario la calidad esperada del perfil o propiedades del material. Tanto el perfil final como cada uno de los pasos individuales de conformado se presentan en imágenes tridimensionales, a todo color.

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Simulación por elementos finitos del proceso de con formado con Copra® FEA RF (sólo se muestra una mita d de la

sección del perfil)

O alternativamente:

La visualización de defectos significa que los ensayos empíricos necesarios hasta la fecha y los ajustes a la línea de conformado pueden evitarse: un juego de rodillos nuevo está ya optimizado en la fase de diseño.

Un cálculo por elementos finitos completo no puede realizarse en cuestión de unos pocos minutos, incluso con la rapidez de los sistemas informáticos avanzados de hoy en día. Es por ello que la solución en dos pasos presentada en este artículo, esto es optimización avanzada con un enfoque computacional veloz seguido de una validación del juego completo de rodillos con el método de EF, ha probado ser extremada-mente exitoso en la práctica real.

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Varias funciones analíticas muy potentes predicen p ara el usuario la calidad esperada del perfil o propiedades del material Los beneficios prácticos en el conformado por laminación de perfiles van más allá de la reducción de los tiempos de puesta a punto para un nuevo juego de rodillos y el control de proceso mejorado. El fabricante deriva ahora una cantidad significante de conocimiento y experiencia en el proceso de laminación, poniéndolo en una posición que le permite eliminar fallos y problemas en la fase de introducción de nuevos productos.

Cadena de proceso Copra para diseño rápido y optimi zación por análisis de la deformación (2); evaluaci ón/ajuste fino del juego de rodillos diseñado por análisis de elemento s finitos (3); control de la calidad continuado en producción y análisis

por elementos finitos de juegos de herramientas exi stentes para mantener una alta calidad del producto (4)

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17 - El corte de chapa mediante oxicorte 1. INTRODUCCIÓN

Entre aquellos procesos no convencionales cuyo campo de aplicación es principalmente el corte de chapa, se puede realizar una particular clasificación que nos lleva a englobar muchos de ellos (90% de las aplicaciones industriales) en un sólo grupo denominado procesos de corte por chorro (beam cutting processes). En estos procesos, la herramienta se sitúa en dirección perpendicular a la superficie de la chapa. El chorro incide en esta dirección y corta la chapa. La naturaleza del chorro determina una segunda clasificación de los diferentes procesos de corte por chorro:

• Aquellos procesos que utilizan la acción mecánica directa, ya sea de un único material o combinándolo con abrasivos, para incidir sobre el material a cortar, se denominan procesos de corte por chorro mecánico (mechanical beam processes). Se utilizan cuando no pueden emplearse técnicas tradicionales debido a la dureza del material, a su extrema fragilidad o, principalmente, cuando pueden resultar dañados si se mecanizan por procesos eléctricos o térmicos (sensibilidad a altas temperaturas). Cabe citar, dentro de los procesos de esta naturaleza, el corte por chorro de agua con o sin abrasivos (waterjet machining, WJM y abrasive waterjet machining, AWJM) y el corte por chorro de aire con abrasivos (abrasive jet machining, AJM). • Cuando la separación del material se debe principalmente al efecto de las altas temperaturas localizadas sobre una pequeña zona de material, estamos ante los procesos de corte por chorro térmicos. Tienen un amplio campo de aplicación, y ocupan un segmento cada vez mayor del mercado. Esto se debe en parte, no sólo al incremento en el número de máquinas, sino también a la diversidad de fuentes de energía utilizadas para provocar el aumento térmico localizado. El oxicorte (flame or oxygen-flame cutting), el arco de plasma (plasma arc system) y el láser (laser beam cutting) son los principales procesos aplicables a la chapa. El corte por haz de electrones (electron beam cutting) pertenece también a este tipo de procesos, pero no está indicado para el corte 2D de chapa, sino más bien para mecanizado de precisión en el taladrado de pequeños agujeros, grabado, tratamientos térmicos, etc. Un parámetro crítico que presentan todos éstos procesos alrededor de la línea de corte es la zona afectada térmicamente (ZAT) alrededor de la línea de corte. Actualmente existen trabajos encaminados a reducir dicha zona, no sólo controlando los parámetros de corte sino mejorando y/o ensayando nuevas tecnologías. En el corte por láser se reducen significativamente las anchas zonas ZAT que presentan procesos como el plasma o el oxicorte (1-4 mm.), alcanzándose en condiciones óptimas y utilizando procesos como el láser, valores de 0.1 mm. Esta disminución de la ZAT, en ciertos procesos térmicos, redunda en la posibilidad de cortar materiales sensibles al calor como plásticos, telas, etc. aumentando sensiblemente su campo de aplicación.

2. TECNOLOGÍA DEL CORTE DE CHAPA POR OXICORTE

2.1. El Proceso El proceso fue desarrollado completamente en el siglo XX y sus primeras aplicaciones se llevaron a cabo en Europa. No obstante, su total desarrollo hasta lo que hoy conocemos por oxicorte se produjo en Estados Unidos durante el primer cuarto del siglo XX. El proceso de oxicorte, al contrario de lo que pueda parecer, no consiste en una fusión del metal, el corte se produce por una literal combustión del mismo. En otras palabras al cortar quemamos el metal a medida que avanzamos con el soplete. Por esta razón, la presencia de aleantes se hace crítica, ya que merman la capacidad del acero a ser quemado. Para que se produzca una reacción de combustión son necesarios tres requisitos; presencia de combustible (a su temperatura de ignición), presencia de comburente (en una mínima proporción), y un agente iniciador. En el proceso de oxicorte, el combustible es el Fe, el comburente el O2, y el agente iniciador la llama del soplete. En condiciones normales, aunque apliquemos un agente iniciador a una pieza de acero, ésta no arde espontáneamente por dos motivos; el Fe contenido no está a su temperatura de ignición (aproximadamente 870°C) y el O2 atmosfér ico no es lo suficientemente puro (el O2 atmosférico se encuentra en una proporción del 20% y la proporción mínima necesaria para quemar el Fe es un 87%). 2.2. El soplete El soplete de corte juega tres papeles distintos: llevar el Fe contenido en el acero a su temperatura de ignición, aportar una atmósfera envolvente con una proporción mayor que la mínima necesaria en O2 y, por último, generar el agente iniciador. Para lo primero el soplete de corte utiliza parte del O2 disponible para mezclarlo con el gas combustible y así crear la llama de precalentamiento formada por un anillo de llamas en la boquilla de corte. La llama de precalentamiento puede alcanzar temperaturas entre 2.425°C y 3.320°C dependiendo del tipo de gas utilizado y la riqueza de O2 en la

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mezcla. La proporción de O2 y gas en la mezcla para el precalentamiento se controla a través de las dos válvulas que incorpora el soplete. Con la llama de precalentamiento bien ajustada, se acerca ésta a la pieza a cortar hasta que se alcanza la temperatura de ignición. Una vez alcanzada ésta, el metal se torna en un color naranja brillante y pueden verse algunas chispas saltar de la superficie.

Fig. 1.- Cuatro sopletes trabajando simultáneamente sobre la misma chapa (ARGON) En este momento debe ser accionada la palanca del soplete para permitir la salida por el orificio central de la boquilla de un chorro de O2 puro (llamado chorro de corte) (figura 1). Así se consigue enriquecer en O2 la atmósfera que rodea la pieza precalentada para que sea posible la combustión. Inmediatamente, y gracias a la presencia de la llama de precalentamiento que actúa también como agente iniciador, comienza la reacción exotérmica de combustión del Fe, que nos llevará finalmente al corte de la pieza. Como toda combustión, la reacción de oxidación del Fe es altamente exotérmica, y precisamente esa enorme cantidad de energía desprendida en la reacción ayuda a llevar las zonas colindantes a la temperatura de ignición, y poder así progresar en la acción del corte.

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El óxido resultante de la combustión fluye constantemente por la ranura, cuyas paredes calienta propagando la reacción de combustión. Para obtener cortes limpios y económicos, es conveniente no utilizar presiones de O2 demasiado elevadas. A menudo los fabricantes de máquinas de oxicorte suministran tablas tecnológicas con los valores más recomendados de presión, velocidad de corte, etc. en función del espesor del material a cortar (tabla 1). En algunos casos, las tablas incluyen datos relativos a la sangría del corte (tabla 2) en función de la presión (proporcional al espesor), y del tipo de soplete utilizado (para chaflanes, de tipo doble o triple, etc.). Otras tablas aportan datos del consumo de los diferentes gases utilizados con la finalidad de poder determinar el coste de las operaciones de corte.

Tabla 2.- Valores recomendados para el proceso de o xicorte (SAF)

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2.3. La combustión del Fe En la combustión del Fe, se observan las siguientes reacciones químicas estequiométricamente igualadas: 1ª reacción: 2 Fe + O2 3v4 u 2 FeO + 128 kcal. 2ª reacción: 3 Fe + 2 O2 3v4 u Fe3O4 + 268 kcal. 3ª reacción: 4 Fe + 3 O2 3v4 u 2 Fe2O3 + 394 kcal. Para poder comparar las tres reacciones, debemos tomar las tasas de calor liberado por kg. de Fe, que son respectivamente: 1.142 kcal., 1.598 kcal. y 1.762 kcal. Aunque la tercera ecuación es la más exotérmica, y por tanto, parece ser la más espontánea (teóricamente lo es), en la práctica no es la reacción predominante puesto que la cantidad de O2 necesaria para quemar 1 kg. de Fe siguiendo cada una de las reacciones es respectivamente: 200, 267 y 300 l. Por tanto, la práctica nos muestra que mientras la tercera reacción solamente se da en el oxicorte de grandes secciones (donde se aplica un abundante chorro de O2 de corte), la primera y la segunda son mucho más comunes. A medida que el Fe va siendo oxidado y se forman sus óxidos correspondientes, éstos, y parte del Fe de la pieza, se van fundiendo por la acción térmica en juego y van siendo expulsados por la acción física del chorro de O2. La propiedad de los óxidos de Fe de fundir a temperaturas semejantes al Fe atómico hace posible el fenómeno del oxicorte. Esta propiedad es excepcional, puesto que la mayoría de los metales funden a temperaturas menores que sus óxidos. Precisamente por éste motivo metales como el Al, Mg o Cr no pueden ser cortados por este proceso dado que sus óxidos funden a una temperatura mucho mayor que su fase atómica. Es por ello que la aplicación fundamental de oxicorte, y para la cual está diseñado, es el corte de aceros de bajo contenido en Carbono (normalmente entre 0,1% y 0,3%) y bajo contenido en aleantes. La presencia en altas concentraciones de los aleantes normalmente presentes en el acero afecta a la capacidad del proceso de cortar el metal. Elementos como el Mn, Si, P y S, afectan poco a esta capacidad cuando están presentes en concentraciones normales. Por otra parte, elementos como el Cr, Ni, Mo, y por supuesto el C, reducen la capacidad de corte del O2 existiendo algunos límites a partir de los cuales el corte no es posible: 5% para el Cr, 7% para el Ni, etc... Antes de intentar cortar una chapa mediante oxicorte, deben tenerse en cuenta los elementos aleantes contenidos en su material, sus combinaciones, exactamente igual a como debe hacerse antes de aplicar un tratamiento térmico o un endurecimiento a la llama. Todos los metales deben examinarse, no solamente desde el punto de vista de los aleantes que contienen, sino también de las propiedades que las combinaciones que dichos aleantes tienen. 2.4. El precalentamiento La principal función de la llama de precalentamiento es llevar la pieza hasta la temperatura de ignición, que como se ha mencionado anteriormente es de aproximadamente 870°C. No obstante, la llama de precalentamiento tie ne otras funciones:

Limpiar la superficie de la pieza a cortar de cualquier sustancia extraña como óxido, suciedad, escamas, no sólo durante el precalentamiento sino también durante la acción de corte

Ayudar a alcanzar la temperatura de ignición a medida que se avanza con el corte. Mantener un entorno de protección alrededor del chorro de O2 de corte. Precalentar el O2 contenido en el chorro de corte haciéndolo más reactivo. Ayudar a mantener las escorias producidas en la ranura del corte en estado fluido para que puedan ser

expulsadas.

2.5. El chorro de O2 de corte Tal y como se ha explicado anteriormente, es obvio que el O2 de corte juega un papel principal durante la operación de corte. Su pureza debe ser del 99,5% o superior. Una pérdida de pureza de un 1% implica una pérdida de velocidad de avance de aproximadamente un 25% y a su vez incrementa el consumo de O2 en aproximadamente un 25%. Con una pureza de O2 de un 95% la acción de corte por oxidación es imposible de conseguir y se transforma en una acción de fusión y limpieza. Para conseguir la mejor calidad en el corte, siempre deben observarse las recomendaciones del fabricante de los equipos de corte referentes a:

Tamaño de la boquilla en función del grosor de chapa a cortar. Ajuste de la llama de precalentamiento. Presión de gas. Presión de O2 de corte.

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Velocidad de corte. Si se siguen correctamente las recomendaciones se conseguirá un corte adecuado en el que podremos observar las siguientes características (ver apartado 3)

Caras de corte perpendiculares con unas aguas suaves Ausencia de mordeduras Canto superior anguloso, ni redondeado ni fundido. Canto inferior libre de escorias y rebabas.

Existen muchas aplicaciones de oxicorte en las que no se requiere estos niveles de calidad y normalmente se aceptan cortes más bastos. Este es el caso más general en el que la superficie del corte va a ser cubierta con soldadura, escondida dentro de la pieza a fabricar o cubierta con pintura. Si la calidad que se le exige al corte no es la máxima, la velocidad de avance puede ser, en muchos casos, incrementada. 2.6. Máquinas de oxicorte La máquina de oxicorte consta de un pórtico sobre el que se monta el soplete, de forma que su velocidad de desplazamiento es constante y se mantiene invariablemente a la altura e inclinación correcta, condiciones esenciales para obtener cortes limpios y económicos. Normalmente se controlan también las presiones de todos los gases. La mayoría de la máquinas-herramienta de este tipo incorporan la posibilidad de utilizar también sopletes de plasma, los cuales se montan sobre el pórtico de igual forma que los de oxicorte, pero acoplándolos ahora a los distintos gases que requiere el plasma.

Fig. 2.- Máquina de oxicorte (Oxiser). Detalle del pórtico con varios sopletes Hay muchos modelos de máquinas de oxicorte, desde la máquina portátil, que se apoya y se desplaza sobre la chapa, hasta la máquina fija (figura 2), con una o varias cabezas de corte, capaces de cortar chapas de espesores muy diversos. Todavía hoy en día, es habitual ver máquinas que utilizan un dispositivo de lectura o copiador óptico que va siguiendo el contorno de la/s pieza/s a cortar dibujadas sobre un plano fijado sobre una mesa incorporada a la máquina. No obstante, cada día es más común la incorporación del control numérico (CN) a la máquina de oxicorte, de tal forma que la geometría y los parámetros tecnológicos se introducen en el CN en forma de un programa codificado. La instalación de una máquina de oxicorte, aún dotada de control numérico, no es muy costosa si se compara con cualquier otra máquina-herramienta. Tanto con el uso de los copiadores ópticos como del CN, el oxicorte permite realizar todo tipo de cortes rectilíneos y curvos sobre chapas de acero de cualquier espesor, o sobre perfiles, tubos, etc. Pueden cortarse en buenas condiciones chapas superpuestas, incluso muy delgadas, si están bien sujetas unas contra otras. Cuando el soplete está bien regulado (presión, mezcla y velocidades adecuadas), los cortes son uniformes y presentan buen aspecto; basta un posterior y sencillo desbarbado para obtener un acabado aceptable. Aunque depende de la aplicación, frecuentemente se dejan los bordes tal como quedan después del corte.

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3. CONTROL DE LOS PARÁMETROS TECNOLÓGICOS. CALIDAD DEL CORTE

Los procesos de corte por chorro presentan, de forma similar a lo que sucede en otros procesos como el mecanizado por arranque de material, unos parámetros tecnológicos críticos que son necesarios controlar para obtener los acabados superficiales y las tolerancias dimensionales requeridas. Para los procesos menos extendidos como el láser y el corte por agua, cabe decir que todavía hoy se siguen probando nuevas combinaciones de parámetros tecnológicos en función de aquellos materiales (ya sean nuevos o mejorados) susceptibles de ser cortados por estos métodos. En cuanto al oxicorte e incluso el corte por plasma, adecuados para la mayoría de los aceros de construcción, aceros de fundición y aceros aleados (incluso inoxidables), son procesos relativamente sencillos con pocas variables a controlar. A pesar de ello, el número de empresas que optimizan realmente esas pocas variables (parámetros tecnológicos) es muy reducido, creando una falsa idea de que son procesos donde no se pueden conseguir buenos acabados ni mucho menos pequeñas tolerancias (del orden de 1 mm.). Las imprecisiones dimensionales pueden ser debidas a trayectorias de corte erróneas, a movimientos de la chapa o de las piezas durante el corte o a tensiones residuales en la chapa. Los defectos que se puedan corregir durante la programación del CN, utilizando trayectorias idóneas como por ejemplo insertando puentes en los perfiles de las piezas durante el corte, controlando el sentido de recorrido (figura3), etc., serán tratados en el apartado siguiente. En otros casos se recurre a técnicas externas a la programación, realizándose el enfriamiento de la ZAT con aire frío inmediatamente después del corte cuando la chapa aún presente tensiones residuales, utilización del plasma en mesas de agua, control de las presiones y caudales de los gases, etc.

Fig. 3.- Influencia del sentido de recorrido de las trayectorias en la calidad del corte Todos los problemas y defectos que se citan a continuación, incluyendo sus causas y sus posibles soluciones, han sido preparados no sólo gracias a la literatura existente, sino también teniendo en cuenta la experiencia de usuarios y, sobre todo, de fabricantes de máquinas de oxicorte y plasma. La calidad de la superficie del corte para la fabricación de estructuras metálicas viene recomendada por la norma DIN 2310, y recientemente, por el proyecto de norma europeo EN 1090-1-1993. En la figura 4 se muestra una parte de esta norma, correspondiente al acabado del corte, en la que se indica como deben controlarse la desviación angular de la superficie de corte (en la dirección del chorro) y la profundidad de las estrías o marcas en el sentido de recorrido (dirección de avance del corte). La norma establece también que ambos requisitos pueden suavizarse si las chapas o componentes estructurales se van a soldar en la superficie del corte.

Fig. 4.- Detalle de la norma europea EN 1090-1-1993 referente al acabado de las superficies de corte p ara estructuras metálicas

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Los distintos errores observados por causas tecnológicas, se pueden clasificar en función del daño o defecto causado en la chapa. Esta clasificación se establece con la finalidad de reconocer sus causas y posibilitar su posterior remedio. Debe hacerse notar que los errores son de tipo individual, es decir, debidos principalmente a un sólo parámetro, pero la combinación de varios de ellos puede dar lugar a contradicciones en los pronósticos de las causas que los originaron. También debe considerarse que para la elaboración de los defectos aquí listados no se han tenido en cuenta causas externas al proceso, como vibraciones de la propia máquina o de otras máquinas próximas en el taller, etc. Se asume además que el O2 empleado es de pureza estándar industrial. 3.1. Defectos en el filo superior del corte

Fusión de las esquinas. El filo del corte, presenta un redondeo excesivo debido a la fusión del material en dicha zona. Este defecto se debe principalmente a una velocidad de corte demasiado baja o a una llama de corte (presión de O2) demasiado fuerte. También se puede deber a una distancia boquilla-chapa demasiado grande o demasiado pequeña o a una mezcla con demasiado O2 (figura 5a)

Formación de cadena de gotas fundidas. La cadena de gotas fundidas de la figura 5b, formadas sobre el filo de corte son debidas a suciedad, óxidos, etc. existentes en la superficie de la chapa. En segundo orden de magnitud pueden deberse a una distancia excesivamente pequeña entre boquilla-chapa.

Filo de corte colgante. La formación de un filo de corte colgante, con forma convexa sobre el filo ideal (a escuadra), se debe a una llama demasiado fuerte. Aún cuando la presión y mezcla de O2 es correcta se puede producir este defecto si la distancia entre boquilla y chapa es pequeña o la velocidad de corte es excesivamente lenta (figura 5c).

Borde separado de la zona de corte con adherencia de escorias. En la figura 5d se puede observar este error causado generalmente por una distancia de la boquilla a la chapa demasiado grande. Cuando la distancia es la correcta, se puede producir por una presión del O2 de corte demasiado alta.

Fig. 5.- Defectos propios de la arista superior del perfil cortado (Messer)

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3.2. Defectos en la superficie del corte: Irregular idades Todas las desviaciones e irregularidades de la superficie ideal de corte se definen de acuerdo a la distancia entre dos planos paralelos, separados por la sangría y creados por contacto entre la llama y los puntos superior e inferior de la chapa sobre el perfil de corte. Teóricamente, el ángulo correcto de la chapa con la superficie cortada debe ser de 90º, de forma que la sangría debe permanecer constante a lo largo de todo el espesor de la chapa.

Concavidad bajo el borde superior. La concavidad que se produce en la parte inmediatamente inferior al borde superior de la superficie de corte se debe a una presión de O2 demasiado alta, que produce un chorro turbulento inicialmente, volviéndose laminar al penetrar en la chapa. Este tipo de daños revela también suciedades en la boquilla (figura 6a).

Estrechamiento del filo (sangría convergente). Este defecto se produce cuando ambas superficies de corte (derecha e izquierda), convergen hacia la parte inferior. Claramente indica un chorro de corte débil que puede ser debido a una velocidad demasiado alta, alta distancia de la boquilla o al empleo de una boquilla de diámetro demasiado pequeño para el espesor de la chapa que se quiere cortar (figura 6b).

Ensanchamiento del filo (sangría divergente). Es el defecto contrario al anterior, se consideran también las causas opuestas (figura 6c).

Sección cóncava de la superficie del corte. La concavidad se produce a lo largo de toda la superficie, particularmente en la zona media (figura 6d). Se produce principalmente por una velocidad de corte demasiado elevada o por utilizar poca presión de O2. Otras causas secundarias son debidas a la boquilla, diámetro pequeño para el espesor considerado, suciedad o deterioro, etc.

Sección ondulada de la superficie del corte. La sección transversal de corte presenta en este caso unas inflexiones cóncavas y convexas alternadas (figura 6e). Como en la mayoría de estos defectos, la alta velocidad de corte es la causa primordial. En este caso, el empleo de boquillas demasiado grandes o su vibración (causada por suciedad a lo largo de la guía, etc.) pueden también originar estas ondulaciones.

Superficie de corte desviada de la vertical. Si las superficies son paralelas, sin defectos en su interior, debemos presuponer que la presión, velocidad, y distancia de la boquilla son correctas. Por lo tanto, este defecto sólo puede ser debido a un incorrecto posicionamiento angular de la antorcha. Ocasionalmente puede producirse por defectos superficiales o suciedad en la chapa (figura 6f).

Borde inferior redondeado. En la figura 6g se observa este defecto, pudiendo ser más o menos severo en función de ciertos daños sufridos por la boquilla. También puede producirse cuando la velocidad de corte es muy alta (flujo muy turbulento de la llama)

Escalón en el borde inferior. Se trata de un defecto similar al anterior. Las causas son también las mismas aunque predominando el exceso de velocidad (figura 6h)

Dirección defectuosa del corte y superficie transversal ondulada. La superficie de corte no sigue una línea recta, sino que presenta un contorno ondulado (figura 6i). Esta irregularidad en la dirección del corte se debe principalmente al exceso de velocidad o al elevado contenido de los aleantes. Causas secundarias pueden ser la suciedad o daños en la boquilla, contenido en Carbono elevado o llama con exceso de gas comburente. Si el control de la velocidad se hace de forma irregular también se manifiesta de esta forma.

Fig. 6.- Defectos en la superficie de la pieza cort ada: Irregularidades (Messer)

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3.3. Defectos en la superficie del corte: marcado La separación y dirección de las líneas de marcado, forman un patrón que delata cómo se está realizando el proceso. Las normas DIN 2310 y EN 1090-1-993, detallan cual debe ser el patrón de marcado ideal y qué profundidad pueden tener las marcas. El patrón ideal debe tener las marcas formando ángulo recto con el borde superior del corte y una pequeña desviación hacia atrás en el sentido de la marcha, con el borde inferior. Cualquier desviación, tanto en la dirección de las líneas de marcado cómo en la profundidad, denotará un mal empleo de alguno de los parámetros.

Excesiva deflexión del marcado inferior. Es un defecto muy usual en este tipo de procesos y quizás el menos importante. La excesiva velocidad de corte es la causa principal. Cuando las exigencias de acabado no sean muy severas, es preferible utilizar una alta velocidad de corte aún cuando las marcas presenten dicha deflexión (figura 7a).

Marcado superior con deflexión. El patrón superior se encuentra trasladado hacia la parte de atrás. Se debe a un ángulo incorrecto de la antorcha en la dirección del corte. (figura 7b).

Excesiva deflexión del marcado inferior hacia adelante. Normalmente indica que hay un defecto en la boquilla que produce un flujo de la llama muy turbulento (figura 7c).

Deflexiones locales del patrón de marcado. Las irregularidades de las marcas del patrón que se manifiestan por deflexiones en uno u otro sentido (hacia adelante o hacia atrás) como las de la figura 7d, son causadas por líneas de segregación, inclusiones distribuidas (de zonas con distinta concentración de aleantes), inclusiones de escoria y otros defectos similares sobre la chapa.

Profundidad del marcado excesiva. Cuando en sentido transversal al corte, la profundidad de las marcas es excesiva, e independientemente del patrón de marcado que quede grabado sobre la superficie, esto indica que la velocidad de desplazamiento de la antorcha es demasiado alta o irregular. También puede deberse a una distancia demasiado corta entre boquilla-chapa (figura 7e). Irregularidades en la profundidad del marcado. Las diferencias en cuanto a las profundidades de marcado, pasando desde un marcado normal al del caso anterior y viceversa (figura 7f), ponen de manifiesto que se ha producido irregularidad o exceso en la velocidad de corte.

Fig. 7.- Defectos en la superficie del corte: Marca do (Messer)

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3.4. Defectos en la superficie del corte: Cortes in completos Son defectos caracterizados por la pérdida de continuidad del corte, produciendo defectos de separación, total o parcial, entre las superficies de corte.

Zonas aisladas de corte interrumpido. En la figura 8a, se puede observar un defecto de este tipo, que se manifiesta por la aparición de un triángulo de material remanente, no cortado, en la parte inferior. Como es de esperar, se debe a una velocidad de corte excesiva o a una llama demasiado débil que no traspasa todo el espesor de la chapa.

Grupos de zonas de corte interrumpido. Cuando se produce el mismo defecto anterior, pero esta vez en forma de grupos aislados e irregulares distribuidos a lo largo de una zona, significa no sólo que la velocidad es demasiado alta (llama demasiado débil) sino que además hay zonas oxidadas, escoria, etc. en la superficie de la chapa (figura 8b).

Zonas erosionadas en la parte inferior. Este fenómeno, caracterizado por grandes zonas erosionadas, durante intervalos irregulares, situados en la parte inferior (figura 8c), es una consecuencia usual del empleo de una velocidad de corte excesivamente lenta.

Fig. 8.- Defectos en la superficie de corte: Cortes Incompletos (Messer) 3.5. Defectos por adhesión de escoria Los depósitos de escoria en la parte inferior o central de la superficie del corte son un defecto muy perjudicial para el proceso puesto que sólo pueden ser eliminados con dificultad.

Barras de escoria adherida en la parte inferior. La formación de una "cadena" de escoria en el borde inferior de la superficie de corte (figura 9a) puede deberse a valores excesivamente bajos de la velocidad, aunque la causa más usual consiste en el empleo de boquillas demasiado pequeñas para el espesor. Otras causas secundarias son, una llama demasiado fuerte, o una llama con alto contenido de gas comburente

Zonas de escoria incrustada en la superficie de corte. El defecto que se observa en la Figura 9b, se debe a un contenido en aleantes demasiado alto. 3.6. Defectos de agrietamiento Las grietas pueden aparecer dentro o sobre la superficie de corte y son atribuibles al material. Las grietas visibles (sobre la superficie) son mucho más frecuentes que las internas.

Grietas en la superficie de corte. Las grietas que se esquematizan en la figura 10a, siempre visibles externamente, se producen por contenido en carbono o en aleantes demasiado elevado, acero susceptible a rotura térmica, insuficiente tratamiento térmico de la pieza, enfriamiento demasiado rápido, etc.

Grietas internas en las proximidades a la superficie de corte. Las grietas aparecen dentro de la chapa, en zonas cercanas a la superficie de corte, sólo son visibles en una sección transversal (figura 10b). Las causas son análogas a las del caso anterior.

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Fig. 9.- Defectos por adhesión de escoria (Messer)

Fig. 10.- Defectos de agrietamiento (Messer) Normalmente los fabricantes de máquinas de corte, controles numéricos e incluso los suministradores de los gases, elaboran tablas que resumen las causas y los defectos más comunes. En ocasiones, estas tablas de "consejos prácticos" llegan a establecer causas de distinto orden de magnitud para un mismo tipo de fallo, transformándose en auténticos manuales de usuario. Todos los problemas mencionados hasta el momento tienen que ver con parámetros tecnológicos en los que no interviene directamente la generación de trayectorias. Con controles numéricos que permiten programar la velocidad de corte, la presión de los gases, e incluso la distancia de la boquilla a la chapa (sistema de control de distancia con palpador), se solucionan fácilmente y no supondrán ninguna dificultad a la hora de la programación automática utilizando un sistema CAD/CAM. Sin embargo, los problemas que se presentan en el siguiente capítulo sí requieren una programación específica, y actualmente sólo se pueden abordar con éxito cuando se dispone de un sistema CAM muy especializado.

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4. PROBLEMÁTICA DEL CORTE DE CHAPA Y LA GENERACIÓN DE TRAYECTORIAS

Trabajar con una aplicación CAD/CAM destinada a la generación automática de trayectorias de corte 2D para máquinas de oxicorte requiere inevitablemente conocer toda la problemática específica que presenta este proceso. Aunque este conocimiento se centra principalmente en los problemas que requiere la generación de trayectorias, inevitablemente lleva con frecuencia a tratar problemas relacionados con la geometría de partida, constatando la dificultad añadida que conlleva generar un trayectoria correcta si el perfil de la pieza no está perfectamente definido. Un tipo especial de geometría muy utilizada en calderería, como es el caso de aquellas que provienen del desarrollo plano de piezas 3D de chapa (tolvas, codos, etc.), también llevan asociado un tratamiento específico. Otros problemas aportados por la experiencia de los usuarios, y relativos a temas técnicos como el control de los parámetros tecnológicos (espesor, velocidad, etc.) de cada proceso, el postprocesado de los programas CN y su correspondiente transmisión al control numérico de la máquina, etc., influyen también decisivamente en el modo en que se generarán las trayectorias. 4.2 Problemática referente a la geometría de partid a Un primer aspecto que debe contemplar una aplicación de CAD/CAM para corte automático de chapa en 2D es la "identificación del perfil" de la pieza a cortar, con la finalidad de garantizar una correcta generación de las trayectorias correspondientes. En este sentido, se hace imprescindible un reconocimiento automático de todas las entidades que conformen el dibujo seleccionado con el fin de determinar exactamente cuál es el perfil de la pieza y en su defecto, que errores presenta. Si durante esta identificación se detecta algún error, el sistema debe ser capaz de corregirlo (en la medida de lo posible) de acuerdo con el usuario. La geometría de partida en cualquier sistema de CAD puede haber sido generada por el propio sistema o importada a través de formatos normalizados (DXF, IGES, etc.). Cuando esta geometría se realiza sobre el propio sistema de CAD y se orienta a la generación de trayectorias de corte en 2D, debe tratarse de un perfil plano perfectamente construido. En muchas ocasiones, esto no es así y a menudo el delineante o programador comete errores inherentes a su forma de trabajo, no selecciona adecuadamente los puntos iniciales o finales de un segmento para enlazarlo con el siguiente, duplica entidades (una encima del otro), se producen cruces de elementos que deben ser consecutivos, etc. Este tipo de problemas deben ser solucionados si se quieren evitar trayectorias erróneas, cortes repetidos de un mismo segmento/s, etc. Otro tipo de problemas asociados a la geometría consiste en todas aquellas bifurcaciones, zonas de entidades que se solapan, etc., que se suelen producir durante el trazado manual debido al empleo de elementos auxiliares, textos o cotas que han debido ser borrados posteriormente, etc. Los problemas de este índole no son fáciles de detectar, ni siquiera ampliando la zona de trabajo. En el caso de cruces y/o bifurcaciones la detección puede ser relativamente sencilla, ampliando el dibujo hasta que el defecto sea visible. Probablemente una función de chequeo a nivel de toda la información asociada al plano o que recorra automáticamente el perfil en busca de elementos mal cerrados, puede ser muy conveniente es estos casos. Si el perfil de la pieza a cortar no está correctamente cerrado, esto es, si el punto final de una entidad no coincide exactamente con el inicial de la siguiente, la trayectoria simplemente no puede ser generada por falta de continuidad. Si la distancia de separación de los elementos es grande, del orden del kerf o compensación de la herramienta (separación que depende del tipo de antorcha, presión del gas que se suministra, etc.), es posible que la geometría tenga realmente un final en dicho extremo. En el caso de que la distancia de separación sea igual o un poco mas pequeña que la sangría, la pieza cortada no se corresponderá con la que realmente se ha dibujado, y cuando esa distancia de separación es mucho mas pequeña (menor de 1 mm.) lo más probable es que se trate de un error no detectado por el usuario. En todos estos casos, será imposible generar la trayectoria completa deseada. El último de los casos mencionado anteriormente es un problema frecuente cuando se trabaja con dibujos generados con otros sistemas de CAD. Aquí la pérdida de precisión en los decimales asociados a los puntos de la geometría que se tiene al utilizar formatos normalizados (DXF o IGES) puede provocar problemas de contornos abiertos muy difíciles de detectar (incluso con ampliaciones sucesivas) a simple vista, incluso del orden de 10-12 mm, y en consecuencia la imposibilidad de generar correctamente las trayectorias de corte. 4.3. Geometrías especiales de partida: superficies desarrollables para calderería En los sectores de construcción metálica y sobre todo de calderería, aparece un tipo diferente de problemas debida al uso común de un tipo especial de piezas. Se trata de piezas formadas, total o parcialmente por superficies desarrollables de chapa que además presentan intersecciones entre sí. El desarrollo plano de éstas superficies se han venido realizando tradicionalmente de forma manual, bien por métodos gráficos de triangulación, utilizando plantillas flexibles, etc. Los errores de precisión añadidos por la diferencia de espesor del trazado manual se suman a los debidos al redondeo de decimales, etc. y a la hora de su lectura por medio del copiador óptico de la máquina de corte, se traducen en una dificultad añadida para conseguir las tolerancias dimensionales requeridas, aún cuando éstas sean amplias (del orden de ± 1 ó 2 mm.). Para la clasificación de los desarrollos usualmente empleados en calderería, suelen considerarse una serie de elementos, agrupados por su forma:

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Cilindros Conos Codos Pantalones Tolvas Transformadores

De igual forma debe resolverse el desarrollo de todo de intersecciones, cilindro-cilindro, cilindro-cono, cilindro-codo, cono-codo, etc. Los parámetros de definición de cada uno de los elementos varía, incluso dentro del mismo grupo de clasificación. Entre estos parámetros de definición se encuentra el número de divisiones deseadas por el usuario para obtener el desarrollo de las zonas no planas. En base a este número de divisiones, obtendremos en el desarrollo una mayor o menor precisión en las líneas del contorno que definirán la pieza en 3D. Un elevado número de divisiones puede provocar un programa CN excesivamente largo (cada división generará una línea) y, dependiendo del proceso y del material, esta precisión puede no ser factible (debido a una sangría demasiado grande, etc.). Asimismo, en el dibujo del desarrollo se deben incluir las posibles líneas de soldadura, con el fin de posibilitar la división de la pieza en dos o más partes cuando el tamaño del desarrollo completo exceda al de la chapa base. Las líneas de soldadura se han hecho coincidir, bien con las generatrices de menor longitud de cada desarrollo, o con líneas perpendiculares al borde de la pieza. De esta forma, se consigue que los cordones de soldadura sean lo más reducidos posibles, permitiendo un ahorro en el tiempo, o facilitando su montaje posterior. En el caso de elementos simétricos, se debe contemplar la posibilidad de obtener sólo una de las partes de su desarrollo. El desarrollo completo se puede construir utilizando las herramientas del programa base CAD/CAM. 4.4. Problemática en la generación de trayectorias Los requerimientos expuestos por las empresas a la hora de proceder a generar las trayectorias sobre una pieza (dibujo) se pueden agrupar en varios apartados según el proceso de corte considerado, según el espesor de la chapa implicada, según el tipo de CN (postprocesador) y su capacidad de memoria, etc. El estudio de la problemática en función del espesor de la chapa como parámetro más significativo, fue la elegida para estructurar el presente apartado, dada su mayor relevancia frente al resto de factores. 4.4.1. Problemática en pequeños espesores El corte de chapa de pequeño espesor, menor de 3 mm., suele requerir mejores acabados. Implícitamente, éstos pequeños espesores llevan asociado una zona afectada térmicamente también menor, y si el sistema utilizado es el corte por agua o por láser nos podemos situar en el orden del milímetro o las décimas de milímetro con facilidad y con un buen control de los parámetros de corte. En el oxicorte o en el plasma podemos llegar a ZAT de 2 o 3 milímetros. Pero incluso así, puede haber piezas de chapa que requieran mejores acabados, no sólo en cuanto a la zona térmica sino también en cuanto a la rugosidad de la superficie de los bordes. Un buen acabado de las piezas (dado un material y espesor), que no exija posteriores operaciones de desbarbado, debe ser controlado por los parámetros tecnológicos propios del proceso (presión de O2, velocidades, etc.), pero no se debe olvidar que la forma de realizar las trayectorias de corte van a seguir jugando un papel muy importante. Sobre todo en dos zonas de la pieza:

En las esquinas angulosas (con ángulo exterior >= 90º), donde la herramienta o soplete pase por velocidad nula

En las zonas o puntos de Entrada/Salida (E/S) del corte del perfil de la pieza.

En las esquinas pronunciadas se debe disminuir la potencia, bien programándola en el postprocesado (láser) o controlando manualmente la presión del gas (oxicorte o plasma), para que la zona cercana a la esquina no resulte "dañada" o fundida. Sin embargo a menudo esta reducción de energía no es suficiente y requiere una importante experiencia del programador o del operador en los aspectos tecnológicos del proceso, por lo que se recurre a una solución consistente en generar "bucles de seguridad". Estos bucles se utilizan tanto en chapa delgada como de medio espesor (entre 3 y 4.76 mm.), con la finalidad de mejorar el acabado en éstas zonas e incluso para poder conseguir el perfil real de la pieza. Los bucles se obtienen modificando la trayectoria previamente generada (arco), de forma que se sustituye ésta por un lazo (triangular o circular) que sale y entra en forma tangencial con respecto al perfil (figura 11). Se evita de esta forma que la velocidad de desplazamiento del soplete se haga nula (o disminuya) en las zonas cercanas a las esquinas pronunciadas del perfil real, trasladando los cambios de velocidad y dirección a zonas alejadas del perfil.

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Respecto a las zonas donde se produce la E/S del corte, la forma en que ésta se realice, determinará el acabado. Así por ejemplo, la entrada perpendicular y salida perpendicular al perfil, suelen originar un "pico" o muesca indeseable sobre la pieza y, dependiendo del proceso, esta muesca puede llegar a tener un tamaño inaceptable. Cuando se programa una E/S con un cierto ángulo, se disminuye la muesca, y se puede llegar a eliminar por completo si se adopta una E/S tangencial al perfil o se provoca un solapamiento (pequeña zona por la que se pasa dos veces). Siempre que el perfil disponga de una esquina formada por tramos rectos se puede iniciar el corte en esa esquina de forma que no exista ninguna muesca en el resto del perfil. Todos estos aspectos se pueden observar en la figura 12.

Fig. 12.- Programación de distintos tipos de entrad as y salidas sobre un perfil

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Por lo tanto, a la hora de programar la trayectoria, se debe contemplar la posibilidad de realizar distintos tipos de entradas y salidas al perfil. Los tipos preferidos por los usuarios son las entradas y salidas tangenciales (buen acabado) y las entradas y salidas angulares (esta última permite la entrada cuando el control no disponga de entrada al corte por medio de un tramo curvo con compensación). Es importante también poder programar distancias de salida nulas (figura 12), para evitar el reflujo de los gases (que daña la parte inferior de la chapa) al llegar el soplete a una zona que no tiene material (cuando se concluya el corte cerrando el perfil). Esta opción de distancia de salida nula es utilizada en grandes espesores. También debe contemplarse la posibilidad de generar un solapamiento de la entrada y la salida que asegura además el desprendimiento total de la pieza. La generación de las trayectorias de corte debe posibilitar la creación de "puentes" entre piezas con la finalidad de que los perfiles así cortados no se desprendan prematuramente de la chapa base e incluso que permanezcan unidos una vez cortada toda la chapa. Una solución de este tipo suele ser muy recomendable en el corte por láser de pequeños espesores, evitando que la herramienta pueda colisionar con alguna pieza "ladeada" sobre la chapa, sobre todo cuando no se dispone de sensores de interferencias (control de la distancia boquilla-chapa). En la figura 13 pueden observarse los dos tipos de puentes mas utilizados: puentes exteriores, generados entre piezas para mantenerlas unidas entre sí; y puentes interiores, dejando pequeñas zonas del contorno sin cortar. Los puentes interiores disminuyen además la pérdida de rigidez que producen los sucesivos cortes cuando la chapa es muy delgada (< 2 mm.).

Fig. 13.- Programación de puentes interiores y exte riores

Fig. 14.- Correcta elección del punto de entrada y del sentido de recorrido para evitar distorsiones e n la chapa

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Un último aspecto que debe ser tenido en cuenta, causado por la fragilidad de la chapa que se acentúa a medida que transcurre el corte, atañe también a chapas de medio espesor (hasta 5 o 6 mm.). Las trayectorias deben tener el sentido de recorrido de la pieza de tal forma que la parte donde queda el borde inservible de la chapa, zona más débil, se corte en último lugar. Este efecto (figura 14), puede provocar alabeos y deformaciones en las piezas finales. Se ha considerado dentro del apartado siguiente puesto que también se produce en chapas de medio espesor y además se prefiere el agrupamiento de las figuras en función de la problemática. En este caso la solución vendrá dada por la posibilidad del cambio del sentido de recorrido. 4.4.2. Problemática en medios y grandes espesores Cuando se trabaja con chapa en medios y grandes espesores (> 4.76 mm.), el coste del material se incrementa sustancialmente. Esto obliga a ser todavía más cuidadoso debido al riesgo que supone cualquier desperdicio de material. Como se desprende de los aspectos tecnológicos vistos hasta el momento, sólo el oxicorte y el plasma (aunque también recientemente el corte por agua) permiten el corte de grandes espesores. Los problemas de pérdida de rigidez o movimiento de las piezas sobre la chapa base ya no tienen sentido en este caso, pero siguen siendo válidas las necesidades de programación de diferentes tipos de E/S al corte de las piezas, sobre todo para eliminar la salida (apagando el soplete justo al terminar el perfil) impidiendo daños por reflujo de gases. También debe contemplarse la posibilidad de realizar salidas programadas fuera del perfil que vayan hasta el borde exterior de la chapa. Esta trayectoria tiene la finalidad de facilitar (incluso permitir en algunos casos) la extracción de la pieza una vez cortada. En este caso, el problema se presenta cuando se corta chapa muy gruesa (espesores del orden de 200 mm. o más), puesto que el perfil transversal de corte en este rango de espesores resulta ser cónico y en consecuencia impide la posterior extracción de la pieza. En la figura 15 pueden observarse como deberían programarse 3 salidas diferentes para facilitar la extracción de la pieza.

Fig. 15.- Trayectorias de corte para extraer la pie za Otro aspecto que se presenta durante el corte de chapas de grandes espesores, en este caso por encima de los 60 mm., es la necesidad de elevada presión del gas en el soplete (> 6 bar.). Esta alta presión, necesaria para el corte, produce una elevada cantidad de chispas con desprendimientos fundidos del material en la zona donde el chorro incide sobre la chapa que queda por cortar. Si este chorro de chispas se dirige contra el operario, impedirá su visibilidad y no podrá realizar una inspección "in situ", lo que a veces resulta muy necesario (por ejemplo, cuando se realiza un control manual de la velocidad de avance en las entradas o en perfiles complicados). Razones adicionales para controlar el sentido de recorrido residen en que la parte sobrante debe quedar, durante el mayor recorrido posible, del lado donde hay más material. Si fuera preciso se cambiará el punto de entrada, en concordancia con dicho sentido (figura 16). Esto, junto con la elección de dicho sentido de acuerdo con la calidad del corte, de forma que la superficie de corte más perpendicular quede del lado donde está la pieza, (figura 13), evitará innecesarias distorsiones debidas al calentamiento, a falta de rigidez (en chapa de medio espesor, de 3 a 5 mm.), etc., que producirán unas dimensiones inadecuadas. Por tanto, el programa de generación de trayectorias de corte deberá permitir el cambio del sentido de recorrido del perfil de la pieza cuando sea necesario (figura 14 y 16).

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Fig. 16.- Cambio del sentido de recorrido para perm itir inspección del trabajo También en grandes espesores, es necesario efectuar no sólo un precalentamiento de la chapa base sino también unas perforaciones previas con el soplete en los puntos previstos de entrada de corte (trayectorias intermedias entre desplazamientos en vacío y en corte), permitiendo la posterior entrada al perfil del chorro de corte en condiciones óptimas. La generación de las trayectorias de corte deberá contemplar por tanto, la posibilidad no sólo de programar esas perforaciones previas (zonas de entrada), sino la de evitar las zonas próximas a dichas perforaciones, que son zonas muy difíciles de cortar por haberse endurecido por temple (figura 17 y 18).

Fig. 17.- Programación de trayectorias con inicio d el corte sobre taladros previos

Fig. 18.- Detalle de la zona de entrada al corte en medios y grandes espesores. La distancia “a” se pr oduce en el sentido de la trayectoria y está en concordancia con el esp esor.

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La necesidad de aprovechamiento de material se hace mas patente en espesores medios y grandes. Podemos encontrar un buen ejemplo de ello en la posibilidad de generar piezas adosadas o con un lado común. Por ello, bien sobre un mismo programa de CN o bien sobre todas las piezas que forman parte de una chapa base, se generan algunas trayectorias con una compensación de herramienta determinada (por ejemplo, izquierda) y otras trayectorias con otra compensación (por ejemplo, derecha o con compensación nula). Esta particularidad de cambio de compensación de herramienta dentro del mismo programa CN, no suele aparecer en los programas CAD/CAM de tipo comercial empleados en el corte de chapa. En cambio, su inclusión permitiría por ejemplo, cortar piezas adosadas (con un lado común), con el consiguiente ahorro de material, tiempo y coste asociado al corte (figura 19).

Fig. 19.- Trayectorias para el corte de piezas ados adas

Fig. 20.- Preparación de chaflanes o juntas para so ldadura

Fig. 21.- Perfiles resultantes preparados para sold adura

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Cuando se procede a preparar la chapa para el montaje y posterior soldadura, se disponen cabezales de corte con sopletes girados, pudiendo también montarse dispositivos con sopletes dobles o triples. La programación del orden de encendido (I, II y III en la figura 20) y la zona donde comienza y termina el chaflán, ya sea chaflán simple (unión en V), doble (unión en X o en Y), o triple (unión en K), debe tenerse en cuenta a la hora de la generación de trayectorias, de forma que el postprocesado pueda reconocer las líneas sobre las que debe aplicar el/los chaflanes. Esto permite dejar la pieza preparada para cualquier tipo de soldadura, tanto en perfiles curvos como rectos (figura 21). 4.5. Problemática en la programación. Controles num éricos y postprocesadores Aparte de los problemas ya mencionados, existe otra problemática asociada a la chapa que es prácticamente independiente del espesor. Estos problemas son debidos al propio proceso y afectan a la forma de programación, al posicionamiento de la chapa, a las particularidades del CN y del postprocesador, etc. A este respecto cabe citar que los bordes de la chapa no suelen formar parte de las piezas, debido a su oxidación y al mal acabado que presentan. En algunos casos como en el oxicorte, esta exigencia se acentúa aun más debido al reflujo de gases, sobre la parte inferior de la chapa, al entrar a cortar el material. En chapa de poco espesor, se puede entrar a cortar el material desde el exterior, pero la zona adyacente, de unos 5 o 10 mm. de "margen", no puede pertenecer a la pieza (distancias Xmin e Ymin en la figura 22). Se prefiere incluso entrar a cortar desde el interior de la chapa, dando por perdida esa pequeña zona de margen.

Fig. 22.- Puntos significativos para programación C N El posicionamiento de la chapa base con respecto a la mesa (punto de imbricación), el origen de coordenadas (0,0) y del programa (situación inicial del soplete) deben ser controlados perfectamente por el sistema. El operario debe tener conocimiento de todos estos aspectos y si es posible, trabajar conjuntamente con el programador a la hora de prefijarlos. En este mismo sentido, las funciones iniciales del programa que se encarguen de estas tareas, deben posibilitar una total movilidad de la chapa, por medio del punto de imbricación (vértice inferior-izquierdo de la chapa), al cual se referirá el origen de coordenadas (0,0 del programa CAD/CAM) y el origen de programa (0,0 del CN). La finalidad de la modificación a voluntad de la distancia del origen de coordenadas al vértice de la chapa, estriba no sólo en conocer exactamente donde debe posicionarse el soplete al reiniciar de nuevo el corte tras una parada forzosa (virutas o elementos extraños en las guías, etc.) que en caso contrario ocasionaría el estropicio de la chapa, sino también porque usualmente este punto origen de coordenadas sirve para la toma de referencia en el caso del

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empleo de sopletes solidarios, midiéndose sobre él las distancias a las cuales se posicionarán las demás boquillas (figura 22). El programa desarrollado calcula automáticamente el punto que servirá como origen de coordenadas (situando en la intersección de las tangentes horizontal y vertical a las piezas más exteriores) y posiciona el punto de imbricación de la chapa a la distancia de seguridad (Xmin, Ymin). De esta forma, ningún perfil se aproxima más de lo permitido al borde de la chapa. Antes del proceso de generación de trayectorias, el usuario debe disponer de funciones específicas para el correcto posicionado (manual o automático) de los perfiles de la/s pieza/s sobre la chapa base, que junto con la posibilidad de situar y/o modificar el punto de imbricación de la chapa sobre el dibujo, nos llevarán a la correcta selección del origen de programa y demás puntos significativos.

Fig. 23.- Distancias de seguridad al borde de la ch apa y trayectoria de salida para obtener un recorte

También resulta interesante contar con la posibilidad de realizar trayectorias de corte que no exijan ninguna geometría previa dibujada. Esta opción tiene múltiples aplicaciones, la más usual consiste en poder incluir, en el mismo programa CN, una última trayectoria de corte destinada a generar un determinado recorte sobrante de la chapa base (figura 23) con una forma generalmente rectangular, que facilite su posterior almacenamiento y reaprovechamiento.

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18 - Corte de chapa por láser 1. EL PROCESO DE CORTE POR LÁSER

Desde que a principios del siglo XX se postuló que la transición entre estados de energía al excitar un átomo puede emitir un fotón, hasta nuestros días, ha variado en gran medida el uso que se ha dado a la energía láser. El haz de luz coherente obtenido a la salida de un resonador óptico por excitación del medio activo es un haz láser (acrónimo de "Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation"), que debidamente tratado se convertirá en una fuente de energía de alto aprovechamiento. Las características propias de la energía láser posibilitan su utilización de una manera muy directa en aplicaciones industriales actuales de procesado de materiales en general y de corte de chapa en particular. El proceso consiste en la focalización del haz láser en un punto del material que se desea tratar, para que éste funda y evapore lográndose así el corte. Como pretende simbolizar la figura 1 el haz láser, con una determinada potencia procedente del generador y de un sistema de conducción (figura 1.1), llegará al cabezal (figura 1.2). Dentro de éste, un grupo óptico (figura 1.3) se encarga de focalizar el haz con un diámetro determinado, sobre un punto de interés del material a tratar. El posicionamiento del punto focal del rayo respecto de la superficie que se desea cortar es un parámetro crítico. El proceso requiere de un gas de asistencia (figura 1.4), que se aplica mediante la propia boquilla del cabezal, coaxial al propio rayo láser. Este gas puede ser inerte para evitar oxidaciones o activo para catalizar el proceso. A su vez favorece la eliminación de material fundido, vapor y plasma de la zona de corte (figura 1.5). Es típica la aparición de ciertas estrías o rugosidades en las superficies cortadas (figura 1.6). La conjunción de todos estos factores, junto con otros como la velocidad relativa entre el cabezal y la pieza, producen una densidad de energía (con valores característicos en orden de magnitud de MW/cm2), que origina el corte para cada tipo de material.

Fig. 1.-:Modelado representativo del proceso de cor te.

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Aunque la aplicación mayoritaria del corte con láser se da en materiales metálicos, otro tipo de materiales como goma, vidrio, cuero, o madera son susceptibles de ser cortados con este método. En aplicaciones de corte láser de materiales metálicos debe tenerse en cuenta aspectos como calidad del material o posibles recubrimientos (aceite, óxido, pinturas, etc.) como condicionantes importantes del resultado final. De entre todas las características genéricas del procesado láser, las que se exponen a continuación tienen un mayor protagonismo en el caso concreto del proceso industrial de corte de chapa. • Posibilidad de actuar sobre zonas de tamaño reduc ido. El diámetro del spot que incide sobre la superficie a cortar tiene un valor medio en torno a las tres décimas de milímetro. Esto acarrea la consecución de surcos de corte muy estrechos de dimensiones muy parecidas a las del propio spot o ligeramente superiores. Asimismo, las distorsiones que origina en el material son mínimas. • Accesibilidad. La posibilidad de transmitir el haz láser mediante fibra óptica hace que, montado un cabezal de corte en un robot antropomórfico, se pueda alcanzar cualquier orientación de corte dentro del campo de trabajo del robot • No contacto mecánico con la pieza. No se produce desgaste de la herramienta por contacto ya que el grupo óptico que enfoca el haz origina que en posición de trabajo exista una separación entre la boquilla de la que sale el rayo y la pieza. • Sistemas sofisticados. La programación se hace de una forma cómoda y precisa. Los dispositivos pueden incluir tablas de parámetros para cortar diferentes materiales. Es posible la automatización del proceso así como la comunicación de la máquina láser con otro tipo de dispositivos como CNC, centros de procesado, elementos de control de calidad, sistemas de gestión de errores y alarmas así como dispositivos de monitorización on-line de la máquina y del proceso láser. La gran desventaja que presenta el corte de chapa por láser frente a otros procedimientos reside principalmente en el espesor máximo que se puede cortar. Otros procedimientos como el oxicorte, corte por plasma, electroerosión o corte por chorro de agua permiten cortar espesores mayores que el láser. Solamente el corte por punzonado tiene la limitación de cortar espesores menores que los que corta el láser.

2. APLICACIÓN INDUSTRIAL DEL CORTE POR LÁSER.

Entre las aplicaciones industriales del láser para procesado de materiales se calcula que en torno al 60% de la actividad está dedicada al corte. Una de las industrias que mayormente absorbe esta actividad es la industria del automóvil y la industria auxiliar del automóvil. A continuación se presentan unos ejemplos que caracterizan y justifican el uso del corte láser de chapa tridimensional en el sector del automóvil:

Herramienta necesaria en corte de preseries en el proceso de fabricación de troqueles cortantes. Alternativa de coste aceptable al uso de troqueles cortantes. Se debe considerar esta aplicación

únicamente en casos de series limitadas. Corte rápido de paneles de carrocería para el automóvil. Reduce el stock en series especiales posibilitando cortar opcionalmente. Es posible que el sector auxiliar

suministre un tipo de pieza, que dependiendo de opciones de venta del vehículo podrá ser cortada o no en la cadena de producción de una manera opcional, por ejemplo, justo en la etapa anterior al proceso de pintado.

Las células de corte son flexibles y reducidas y si incluyen un robot (figura 2), adquieren todas las posibilidades de reprogramación y reutilización que introduce éste último.

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Fig. 2.- Célula de corte robotizada de Robotiker

Fig. 3.- Célula de corte láser de CO2 de Robotiker

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3. DISPOSITIVOS PARA CORTE POR LÁSER

Se pueden definir los dispositivos para corte por láser como aquellos que son capaces de transmitir la energía que proporciona un generador hasta el material a tratar para realizar el proceso. Todos los sistemas láser industriales cuentan con los siguientes elementos fundamentales: • Generador láser (figura 3.1): Es el encargado de suministrar el haz láser con unas características (potencia, frecuencia, etc.) programadas. • Sistema de conducción del rayo y focalización fin al (figura 3.2): Se encarga de trasmitir el rayo láser hasta el punto deseado del material a procesar. • Sistema de manipulación (de pieza o de fuente) (f igura 3.3): Existen dos posibilidades, así como posibles combinaciones de ambas: Una posibilidad consiste en dejar la pieza fijada y mover el sistema de focalización y otra posibilidad sería la de fijar el cabezal láser y desplazar la pieza que se desea cortar. • Dispositivos de control, dispositivos auxiliares y sensores (figura 3.4): Los equipos de corte láser están provistos de un sistema de control que permite su programación. Así mismo, el proceso de corte puede ser monitorizado y supervisado por medio de sensores. La información obtenida se puede utilizar en sistemas de control, sistemas de inspección de calidad o para conocer el estado de la máquina láser entre otros. • Sistema de seguridad (figura 3.5): Para evitar el riesgo que provoca la radiación láser o los materiales que se cortan. • Suministro de gas de proceso: Como se ha explicado anteriormente es necesario gas de apoyo para favorecer el proceso láser. 4. CLASIFICACIÓN DE LOS DISPOSITIVOS PARA CORTE DE CHAPA POR LASER Los láser más utilizados en aplicaciones de corte industriales son los de Nd:YAG y los de CO2. Se denominan así haciendo referencia al medio activo de su generador, es decir en el primer caso el láser se genera a partir de la excitación de cristal de YAG dopado con iones de Nd mientras que en el segundo caso se excita un gas compuesto de CO2, N2 y He. Aunque existen diferencias en las características del rayo láser que se genera en uno y otro caso, de cara al diseño de los dispositivos industriales para operaciones de corte de chapa la elección de un sistema frente a otro estará principalmente influenciada por la diferente vía de transmisión del haz. Mientras que en los sistemas de CO2 el haz láser se transmite a través de espejos hasta incidir sobre la pieza que se desea cortar, los láseres de Nd:YAG permiten además que esa transmisión de haz se pueda hacer a través de fibra óptica. La posibilidad de transmitir el haz láser a través de fibra óptica dota de gran versatilidad a la opción del láser de Nd:YAG. En aplicaciones de corte 2D o de chapa plana el cabezal láser suele estar estático y es la chapa la que se desplaza en una mesa XY. En estos casos el sistema más extendido es el de CO2. Sin embargo, en aplicaciones de corte láser tridimensional o de chapa embutida la posibilidad de transmitir el haz láser por fibra de vidrio hace de los láser de Nd:YAG una opción muy potente. Entre otras ventajas de estos sistemas está la de poder integrar un equipo láser de Nd:YAG sobre un robot antropomórfico (de 6 ejes angulares) de uso general. Esto aporta al proceso de corte todas las propiedades intrínsecas del robot como se ha descrito anteriormente. Los dispositivos utilizados para corte de chapa tridimensional son los pórticos y los robots. Cualquiera de ellos se puede usar con los dos tipos de láser descritos, aunque las dos configuraciones más extendidas son las de pórtico de CO2 y robot con Nd:YAG. Los pórticos son estructuras con al menos tres ejes cartesianos (que permiten posicionar el cabezal en el espacio tridimensional) y generalmente otros dos ejes angulares para poder reorientar la herramienta dentro del campo de trabajo.

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Fig. 5.- Robot con láser de corte transmitido por f ibra óptica. Los pórticos, de mayor robustez mecánica, se caracterizan por una mayor precisión de posicionamiento 0.01 mm) y por un comportamiento uniforme en todo el volumen de trabajo. Los robots industriales tienen peor precisión (menor que 0.2 mm.) y su comportamiento dinámico depende de la configuración instantánea de los ejes. Entre las ventajas de los robots industriales (antropomórficos) citaremos su sencilla integración en planta y mejor accesibilidad y mayor alcance de la herramienta de corte. Dentro de su actividad de I+D y de apoyo a empresas Robotiker ha diseñado y participado en el posterior desarrollo de sistemas de corte de chapa tridimensional. Cabe destacar el desarrollo realizado de un pórtico para corte láser tridimensional de chapa que actualmente está operativo en una empresa del sector auxiliar de automoción. El sistema tiene 5 ejes que permiten independizar posición y orientación del cabezal. El generador es de Nd:YAG y se transmite por fibra óptica. El sistema cuenta, entre otros, con un dispositivo óptico de ayuda a la programación. Así mismo, en este tipo de actividades se fomenta la participación de empresas e ingenierías en proyectos de cooperación. El sistema láser que muestra la figura 3 es otro ejemplo de proyecto liderado por Robotiker. En este caso se desarrolló un pórtico de CO2 de cuatro ejes que actualmente está operativo en las instalaciones de Zamudio de Robotiker. Asimismo Robotiker ha participado en proyectos europeos como ROLAN (Aplicaciones Robotizadas para la Industria del Automóvil). Durante la realización de este proyecto se integró la tecnología láser de Nd:YAG conducida por fibra de vidrio en un robot antropomórfico y se estudió su aplicación en operaciones de corte de chapa para carrocerías de automóvil. 5. NUEVAS TENDENCIAS: MONITORIZACIÓN Y SUPERVISIÓN DE LA CALIDAD EN EL PROCESO DE CORTE LÁSER La pregunta de hacia dónde evolucionará el proceso de corte láser viene contestada por las necesidades que plantea la propia industria que lo utiliza. Dentro de esas necesidades es clave la expresión aseguramiento de la calidad. Se impone cada vez más la realización de un control que garantice unas exigencias de calidad. Robotiker trabaja activamente en el desarrollo de sistemas de supervisión y monitorización on-line tanto del proceso láser como de la máquina. La sensorización del cabezal de corte da información de parámetros relevantes para el proceso y sobre la base de esta premisa se pueden configurar este tipo de sistemas. Robotiker trabaja actualmente en el proyecto europeo LASCON (Incremento de la productividad mediante la supervisión on-line del proceso y de la maquinaria en sistemas de mecanizado láser). Los objetivos de este proyecto son:

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Monitorización de la máquina láser, que logrará una reducción total de los errores y un incremento de disponibilidad de al menos 10%.

Desarrollo de un proceso de monitorización y control como herramienta de aseguramiento de la calidad del proceso

Integración de estos sistemas en entornos de producción. Una evaluación cuantitativa de la calidad y de las mejoras en disponibilidad. Desarrollo de un protocolo de comunicación para comunicación hacia y desde las unidades de control del

láser o sistemas CNC.

Dentro de las diferentes tareas del proyecto, Robotiker se ha encargado de la selección del hardware y montaje del sistema de control que supervisa la calidad del proceso de corte y el estado de la máquina. La figura 6 muestra el armario de control desarrollado por Robotiker en este proyecto comunicado con la célula de corte por CO2 disponible en sus instalaciones.

Fig. 6.- Armario de control desarrollado por Roboti ker comunicado con célula de corte.

6. INSTITUTO VIRTUAL DE LÁSER.

Actualmente, Robotiker participa en un proyecto denominado VELI (Virtual European Laser Institute), en el que participan varios centros europeos expertos en sistemas láser. El objetivo de este proyecto es el desarrollo de la accesibilidad y uso de la experiencia en láser en Europa para su aprovechamiento en empresas PYME. Esto se logrará por medio de la creación de una red virtual cuya referencia para España es el centro tecnológico Robotiker.