Tecnologías de Corte de Chapa

8/17/2019 Tecnologías de Corte de Chapa

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Ferran Puig Vilar, a partir de una ponencia de José Carlos Rico (Universidad de Oviedo) pronunciada en elSimposium sobre Corte de Chapa de Maquitec. 01/02/2003

METALMECÁNICA

En este artículo se describen los distintos procesos de corte de chapa con la excepción del cizallado yaserrado por ser ya muy conocidos. Se presenta su principio de funcionamiento, ventajas einconvenientes de cada uno y sus respectivos campos de aplicación.

Los distintos procesos de corte de chapa pueden ser clasi㜀cados en tres grupos: térmicos, procesos de erosión ymecánicos.

Procesos térmicos:

Oxicorte (de tipo químico) Plasma

LáserProcesos de erosión:

Corte con agua Corte con agua con abrasivos

Ver más artículos sobre: Equipos y tecnologías para corte de chapa

Tecnologías de corte de chapa

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Procesos mecánicos:

Punzonado Cizallado Aserrado

Oxicorte

No es un proceso de corte por fusión sino por combustión, es un proceso de tipo químico y no de tipo térmico,

se desarrolla en los primeros 20 o 25 años del siglo XX y aunque es una tecnología que se empieza a desarrollaren Europa es en Estados Unidos donde se termina el proceso como actualmente se conoce.Es un proceso de combustión en el que lógicamente se necesitan tres agentes: un combustible, en corte deacero va ser el hierro, un comburente que puede ser el oxigeno y un iniciador de esa combustión que va ser unallama. Por supuesto, el hierro en presencia del aire, donde hay oxigeno, no va a entrar en combustión ynecesitamos reunir una serie de condiciones que nos permitan alcanzar una temperatura elevada en el ordende 800º. La llama calentará el material hasta alcanzar esta temperatura y lo lograremos mediante la mezcla deoxígeno con un gas combustible. Esta llama hará el proceso de precalentamiento hasta llegar al proceso deoxidación 㜀nal.

Fig. 1.- Principio de funcionamiento del proceso térmico de oxicorte (proceso de combustión)

Cuando esa llama calienta el material de forma adecuada hasta producir el proceso de combustión, se inyectaun chorro de oxígeno en la boquilla, de tal manera que este oxigeno acelera el proceso. Esta combustión oxida

el material y gracias a la temperatura utilizada, los óxidos se funden y luego son expulsados por la parte inferioraprovechando el chorro de oxígeno. Es decir, que lo que se funde son los óxidos que se originan del material yno el material en sí.Para que un material pueda ser tratado con oxicorte la temperatura de fusión del óxido debe ser menor a latemperatura de fusión del metal. Esto ocurre con el hierro ya que su temperatura de fusión es inferior a la delpropio acero, de modo que se puede cortar simplemente fundiendo el óxido sin fundir el metal.

Este característica no es muy común en todos los materiales, de hecho, en la mayoría de los metales ocurre locontrario ya que tienen un punto de fusión inferior al del óxido con lo cual se fundirían antes.

Por ejemplo, dos materiales que no se pueden cortar fácilmente mediante oxicorte son aquellos que tienenelementos aleantes como el aluminio, el cromo, o el magnesio, o que tengan un contenido muy elevado decarbón.


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Fig. 2.- Fases del proceso de oxicorte

En cuanto a los gases que se utilizan en el proceso, se debe tener en cuenta que la pureza del chorro de oxígenodebe ser elevada ya que de lo contrario no se consigue la combustión. Debe ser superior al 99,5%, si se reduceeste porcentaje puede disminuir la velocidad de manera importante. Ya que se necesita un oxigeno de altapureza no se vale el que está contenido en el aire.En cuanto al gas combustible que utilizamos para originar la llama que calienta el material, tenemos el acetileno,el propano o el MAPP (abreviación de metal, acetileno y propileno).

Cada una de las empresas dedicadas a producir todos estos gases han ido creando nuevas mezclas y nuevascomposiciones de gases buscando que su temperatura y capacidad calorí㜀ca sean iguales

El acetileno alcanza una mayor capacidad calorí㜀ca y una mayor temperatura frente al resto de gases. Su

calentamiento ocurre en el centro de la llama, con lo cual está en la zona que precisamente queremos cortar,por lo tanto puede ser el más apropiado para este proceso de corte.

Existen otros gases como el propano que tienen una temperatura un poco inferior y por lo tanto con un decesobastante importante de la capacidad calorí㜀ca. El MAPP, es un caso intermedio entre el acetileno y el propanocon temperatura y poder calorí㜀co intermedios.

Otros gases como el gas natural, tienen una temperatura muy elevada pero tienen un poder calorí㜀co muy bajoy aunque puede que no sirva para la parte inicial del proceso, podría funcionar una vez que éste ya haempezado y se está realizando el corte, aún teniendo un poder calorí㜀co reducido.

Dentro de las ventajas de este proceso encontramos las siguientes:

Baja inversión / bajo coste de operación Capacidad para cortar grandes espesores Uso de varias antorchas simultáneamente: aunque la baja velocidad de corte se ha visto como uno de losinconvenientes, también es cierto que en grandes producciones la máquina de corte puede equiparse convarias boquillas, de tal manera que puede estar cortando simultáneamente piezas similares al mismotiempo, así que en caso de necesitar una producción acelerada y que el número de piezas sea de seriesmuy grandes podríamos aumentar bastante esta velocidad. Buena opción cuando haya operaciones secundarias, como mecanizado posterior o fresado.Como inconvenientes encontramos: Baja velocidad de corte, teniendo en cuanta la anotación anterior.

Necesita tiempo de precalentamiento La zona afectada térmicamente es grande Alabeo de la chapa Limitación a aceros de baja aleación Problemas con inoxidables y aleaciones de Aluminio


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Tolerancias más amplias que en plasma, agua o láser

Gas Temperatura Llama (ºC) Proporción O /gas Capacidad Calorí㜀ca (kJ/m )

Acetileno 3160 1:5 18890

Propano 2810 4,3:1 10433

MAPP 2927 3,3:1 15445

Propileno 2872 3,7:1 16000

Gas natural 2770 1,8:1 1490

Tabla I.- Comparación de las características de los distintos gases empleados en oxicorte

Corte por plasma

También es un proceso de tipo térmico y en este caso si se persigue la fusión del material. Se busca unatemperatura ideal para poder fundirlo y mediante un gas que se aporta y que es el que consigue calentar la

pieza, se expulsa el material fundido y se va cortando y avanzando.En muchas bibliografías se habla del plasma como un cuarto estado de la materia, sin embrago, el plasma no esmás que un gas ionizado, es decir, que conduce la electricidad y que por lo tanto es capaz de alcanzar unatemperatura muy elevada, la su㜀ciente como para que al proyectarse sobre una pieza la funda.

Fig. 3.- Principio de funcionamiento del corte por plasma (proceso por fusión)

El gas contenido en la boquilla circula en la corriente con el 㜀n de ionizarlo, se calienta y después se hace salirpor una boquilla con un diámetro muy reducido, de tal manera que el gas ionizado se comporta como cualquiermaterial conductor de la electricidad.Si se reduce mucho la sección por donde pasa la corriente se estará aumentando la resistencia, provocando uncalentamiento del gas alcanzando temperaturas muy elevadas y velocidades muy altas, más o menos lavelocidad del sonido.

Este gas caliente es el que se aporta sobre la pieza y es el que consigue la fusión y la propia presión del gas,además evacua ese material fundido por la parte inferior de la chapa.

Una de las principales causas de las investigaciones que se realizan al respecto desde la década de loscincuenta, es la de acelerar el proceso a través de temperaturas más elevadas, por lo cual se han desarrolladovarios tipos de procesos dentro del corte por plasma:

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Fig. 4.- Fases del proceso de corte por plasma

Tipos de procesos:

Arco transferido / No transferido:

Generalmente es el más usado ya que se precalienta el material y se favorece el proceso de fusión del mismo.

En seco: tiene varias opciones:

- Sin gas de aportación: se utiliza un solo gas para calentar y fundir la pieza

- Con gas de protección: se inyecta alrededor de la boquilla del método convencional y crea una zona que

restringe la proyección del gas ionizado y además la mantiene limpia.- Aire como gas plasma: favorece la oxidación del material y una reacción exotérmica que generalmentetambién favorece el proceso.

Con agua:

- Arco protegido por agua, en vez de utilizar el gas protector en la parte exterior de la boquilla, se utiliza aguainyectada a presión lo que favorece la refrigeración de la boquilla, pieza que sufre bastante durante el procesopor las altas temperaturas. El agua también consigue que esta zona esté limpia subiendo la calidad del corte, yrestringe la temperatura en la zona con lo que se acelera la velocidad.

- Arco sumergido

- Reduce el ruido y la radiación ultravioleta

- Evita la formación de humos y gases

- Se reduce la velocidad (10 – 20%)

- Peligro de pequeñas explosiones: debido al hidrógeno, ya que con la pieza completamente sumergida en aguapuede presentarse una disociación de la misma, el oxígeno se va por el material fundido y el hidrógeno sedeposita sobre todo en la parte inferior de la chapa. Para evitar esto se mantiene el agua en constante agitación.

Alta de㜀nición

Se busca una densidad de energía muy elevada. La densidad de energía es la intensidad de la corriente porcentímetro cuadrado y lo que se busca con este proceso es que esté mucho más elevada que con cualquier tipode corte por plasma convencional. Se consiguen densidades tres veces más altas, del orden de 6000 o 9000amperios por centímetro cuadrado, acelerando la velocidad de corte. Este proceso compite con el láser paracortar espesores bastante reducidos, tanto en velocidad como en calidad de corte.


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La limitación para cortar con plasma es simplemente que el material que se esté cortando sea conductor de laelectricidad.

Gases para distintos materiales

El aire se puede utilizar en todos estos procesos. En el corte del acero se resalta el uso del oxigeno que favorecelas reacciones exotérmicas que generan calor. En materiales inoxidables y aleaciones de aluminio se sueleutilizar el hidrógeno como gas de aporte, dependiendo del rango de aplicaciones y espesores con la idea deutilizar lo menos posible el hidrógeno que se puede remplazar por el propano.

Material Gas de corte Gas de aportación Rango aplicación

Acero Aire0 Aire 1 a 20 mm

Inoxidable Aire 0 N Ar/H /N Aire, N +Propano

Espesores >6 mmAlta calidad pieza Grandes

espesores+ calidad

Grandes espesores

Aleaciones Aire, N N Ar/H Aire,N N + propano

Bajo contenido Al, 1 a 3mm espesor,2 a 19 mm

espesor, Grandesespesores

Tabla II.- Comparación de las características de los distintos gases empleados en corte por plasma

Corte por agua + abrasivo

Es un proceso por erosión de tipo mecánico. Se desarrolló en los años sesenta para utilizar exclusivamente aguaya que había industrias como la electro espacial que tenia problemas para cortar algunos materiales como losrecién aparecidos materiales tipo 㜀bra.

Sin embargo, el origen es un poco anterior a eso ya que la primera persona que se encargo de desarrollar eltema del agua como herramienta de corte fue Norman Franz, un ingeniero forestal que trabajaba en eldesarrollo de nuevas tecnologías para el corte de madera, llegando a hacer unas máquinas prototipo con lasque experimentó intentando alcanzar grandes presiones de agua, bastante mayores de las que se utilizan hoyindustrialmente. El problema era que no se podía mantener esa presión de forma continua.

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2, 2, 2 2 2

2, 2, 2 2, 2


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Fig.7.- Principio de funcionamiento de proceso de corte por agua (proceso de erosión)

Con este proceso por erosión se inyecta agua a presión en la pieza a través de la boquilla, si a esta agua leañadimos un abrasivo, en este caso es él quien se encarga de realizar la erosión del material y poder arrancarlas partículas para al 㜀nal realizar el corte.Lo principal es alcanzar una presión muy elevada del agua, una de las máximas que se alcanzan actualmente esde 414 MPa, 40.000 N/cm. La forma de conseguir esta presión es mediante una bomba que se denominaintensi㜀cador, que fue introducida por Ingresa Run, y que nos permite alcanzar estas presiones de agua.

El agua a presión se hace pasar por una boquilla muy reducida y se consigue una velocidad muy alta, del ordende 3 veces la del sonido. Esta velocidad tiene como 㜀nalidad arrancar el corte. Luego, se pasa a la cámara dondese le añade el abrasivo y así sale por un extremo para cortar el material.

Tal vez uno de los problemas con los procesos de corte por agua es que a medida que avanza el chorro, este se㐀exiona o electa hacía atrás y hace que la parte superior de la pieza se corte antes que la inferior. Si se hace uncorte recto no hay problema, pero si es necesario cortar esquinas interiores tendríamos que avanzar el cortepara poder cortar la parte inferior y superior, lo que al 㜀nal nos puede dar un mal acabado y en algunasaplicaciones se tendría que rechazar el producto.

Otro problema es el de la inclinación de los bordes, normalmente la zona superior que está enfrentada al chorrotiene una abertura mayor que en la parte inferior. El sistema de corte dinámico controla para reducir estosproblemas, en este caso, reduciendo la velocidad antes de llegar a las esquinas se evitan estas entradas en laparte superior de la pieza y en el caso de los bordes inclinados se corrige la inclinación de la boquilla.

Sin embargo, este proceso tiene las siguientes ventajas:

No se origina una zona afectada térmicamente Puede cortar cualquier material con amplio rango espesores No requiere operaciones secundarias Kerf reducido (0,5 – 1 mm) Fuerza de corte pequeña (1,4 – 2,3 kg) Proceso limpio, sin gases Puede realizar agujeros para iniciar corte Proceso seguro (baja compresibilidad del agua) Corta formas y geometrías de gran detalle

Finalmente, como otros inconvenientes de este proceso, encontramos: Más lento que oxicorte o plasma Coste elevado de abrasivo (0,23 kg/min a 1 kg/min Ruido


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Inversión inicial elevada (mayor que oxicorte o plasma)

Fig. 8.- Fases del proceso de corte por agua

Fig 9.- Esquema del proceso de corte por agua

Corte por láser

Es un proceso de tipo térmico. En este caso no se produce la fusión del material sino que se llega a vaporizar ya

que la temperatura que se alcanza en el corte es muy elevada. El láser se consigue utilizando un material activoya sea sólido, líquido o gaseoso que al ser excitado mediante una fuente de energía externa, que puede ser dediferentes tipos; luminosa, eléctrica, etc., emite radiaciones luminosas de tipo láser.Todo esto se hace dentro de un resonador que es una cámara con dos espejos en sus extremos en donderebotan las radiaciones luminosas ampli㜀cándose. Uno de estos espejos es semitransparente, en algunas partesre㐀eja el material y en otras lo deja pasar.

Para conducir este láser a la zona que queremos cortar se usan los espejos de㐀ectores y una vez que llega alcabezal de zona se focaliza reduciendo el diámetro del haz con el 㜀n de aumentar la potencia y por tanto latemperatura.

Algunos tipos de láser de los que más se habla industrialmente son:Láser de CO2

Su medio activo son moléculas de COLa excitación del medio se realiza mediante corriente eléctrica

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La radiación emitida es de 10,6 mmRequiere espejos para conducir el haz láser = Mayor complejidadTiene un mayor coste y mayor mantenimientoPotencia de 1500 a 6000 WEs muy usado industrialmente (85%)

Láser Nd:YAG

Su medio activo es un cristal de granate de Itrio y Aluminio (YAG) dopado con iones de Nd

El medio activo se excita mediante lámpara 㐀ash de alta intensidadRadiación emitida es de 1,064 mm (Se conduce por 㜀bra óptica)No requiere espejos para conducir el haz láserInteractúa mejor que el láser de CO con materiales como: aceros galvanizado, Al, Cu, Latón, etc.Potenciade 2550 a 4500 W. Poco usado industrialmente del proceso de corte por láser de Nd:YAG

Entre las ventajas del proceso de corte por láser encontramos las siguientes:

Más rápido que plasma de alta de㜀niciónCorta per㜀les de forma complejaElevada precisión y calidad de piezas cortadas (sobre todo en espesores

pequeños y medianos)Kerf reducidoZona Afectada Térmicamente muy reducidaVariedad de materiales a cortarAlgunos inconvenientes de este proceso son:No puede cortar materiales re㐀ectantes (Al, Cu, etc.)Velocidad reducida para espesores < 3 mmInversión inicial elevada (en comparación con oxicorte, plasma o agua)Inversión alta / Coste elevado de consumibles (boquillas, electrodos)

Fig. 10.- Fases del proceso de corte por láser

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Fig. 11.- Principio de funcionamiento del corte por láser

Fig. 12.- Esquema del proceso de corte por láser de CO

Corte por punzonado

Proceso de tipo mecánico originado por cizalladura. Intervienen dos herramientas, una que se coloca en la parteinferior de la chapa a punzonar o matriz, y otra que se coloca en la parte superior o punzón.La compresión del material genera una deformación, a medida que avanza la penetración del punzón en elmaterial se inician grietas en los bordes de contacto entre el punzón y la pieza y la matriz y la pieza, y a medidaque avanzan esas grietas se produce una rotura o fractura que hace que se separe la chapa del material derecorte, coinciden las dos grietas y el punzón sigue penetrando hasta provocar la expulsión del material cortado.

Entre las ventajas de este proceso encontramos las siguientes:

Permite cortar y además operaciones de conformado Más barato que el Láser para el corte de golpes sueltos (tiempos = décimas segundo) En la actualidad hay máquinas de mucha velocidad (1200 golpes/min en punzonado

y 2800 golpes/min en mascado)

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Inconvenientes:

Requiere operaciones secundarias de acabado (cuello de botella) Problemas para cortar espesores muy elevados (agujeros de gran diámetro) Coste de herramientas y rea㜀lado

Para 㜀nalizar, no podríamos decir con exactitud cuál de todos los procesos anteriormente citados es la mejortecnología de corte, tal vez lo que tendríamos que tener en cuenta son los siguientes datos de referencia paraelegir el que más se adapte a nuestras necesidades:

Tipo de material a cortar Espesores de corte Velocidad de corte Acabado pieza cortada Precisión Zona afectada térmicamente Necesidad de operaciones secundarias Complejidad de la pieza a cortar Costes de operación Inversión necesaria.

Fig. 15.- Principio de funcionamiento del corte por punzonado (proceso


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Fig. 16.- Esquema del corte por punzonado (proceso mecánico)

Comparación 㜀nal

Material Oxicorte PlasmaPlasma alta

de㜀niciónAgua

AbrasivoLáser CO

LáserNd:YAG

Punzonado

Acero al C 500 90 13 180 20 10 10

Inoxidable - 90 13 100 12 10 10

Aluminio - 150 13 180 10 5 10

Cobre - 60 13 100 - 5 10

Níquel - 75 13 75 10 10 -

Titanio 300 75 13 180 10 10 -Madera - - - 100 25 -

Papel - - - - V - V

Polímeros - - - V 2 - V

Vidrio - - - V 2 2 -

Cerámica - - - 2 2 -

Goma - - - V 10 - V

Material

Espesor (mm)

Velocidad (mm/min)

Oxicorte Plasma AguaLáser CO , (1

kW)Láser Nd:YAG,

(0,8 kW)

Acero5 700 4500(*) 200 2200 600

20 400 2000(*) 50 -

Inoxidable3 - 5000(*) 200 6500 900

40 - 500(*) 10-20 -

Aluminio2 - 6000(*) 800 1000 1200

40 - 1200(*) 80 -

(*) N2 y 500A

(**) Ar/H2 y 240A

(***) Potencia láser = 1000 w

COMENTARIOS AL ARTÍCULO/NOTICIA

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Redacción Interempresas 30/03/2016

#1 - Monica29/12/2009 22:21:45

necesito una maquina para cortar chapa de maximo 7mm para tabajos de artesania con mucha 㜀ligrana,que me aconsejais?, el corte tiene que ser 㜀n y sin irregularidades. Gracias; Monica.

Pabellón 1, stand F-42

Faro Technologies, Inc., empresa especialista en tecnología de medición 3D, captación de imágenes yrealización, presentará sus últimas innovaciones tecnológicas en la 29ª edición de la Bienal Española deMáquina-Herramienta (BIEHM), que tendrá lugar del 30 de mayo al 4 de junio de 2016 en el BilbaoExhibition Centre. La compañía no desea perderse la cita bianual de esta potente plataforma para elsector industrial y aprovecha la oportunidad para mostrar al visitante dos de sus últimos y másinnovadores productos desde su stand F42 del pabellón 1.

Por un lado, espondrá su producto estrella en estos momentos, el recién lanzado Faro Cobalt Array 3D Imager,un escáner metrológico sin contacto que usa la tecnología de luz azul para capturar millones de mediciones decoordenadas 3D en alta resolución en cuestión de segundos. El Cobalt es ideal en el escaneado 3D sin contactopara la planta industrial y líneas de montaje y se presenta como la herramienta e㜀caz y avanzada para lainspección de piezas, montajes, herramientas, moldes y matrices, siendo aplicable tanto a industrias como laautomotriz, aeroespacial, la industria manufacturera, así como en otros sectores con altos niveles deautomatización. Con ella, en una misma máquina, Faro ha hecho converger factores tan importantes como laalta velocidad, 㐀exibilidad, resolución y portabilidad, por lo que es la solución ideal para las más exigentesnecesidades de metrología actuales en líneas de montaje.

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Faro presenta sus últimas innovacionestecnológicas en la 29ª edición de la BIEHM 2016

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Escáner metrológico Faro Cobalt Array 3D Imager.

Por otro lado, el ScanArmHD ocupará también un lugar privilegiado en el stand de Faro de la BIEHM 2016. Éstegenera nubes de puntos con o sin contacto para la comparación con CAD, el desarrollo rápido de prototipos y laingeniería inversa. Así, el Faro Edge ScanArm HD combina la 㐀exibilidad y las funcionalidades del brazo FaroEdge con la alta de㜀nición del Laser Line Probe HD, creando un potente sistema de medición portable con y sincontacto, por lo que es alatamente adecuado para las aplicaciones con los requisitos más desa㜀antes. Comosistema compacto y fácil de usar, el Faro Edge ScanArm HD ofrece una rápida captura de nubes de puntos (de

2.000 puntos/línea de escaneo) con una resolución extraordinaria y una precisión elevada, sin necesidad de usarspray ni pegatinas de fotogrametría.

Brazo de medición Faro Edge ScanArm HD.


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Los escáneres de mano de Faro permiten una rápida y efectiva inspección e ingeniería inversa en piezas ysuper㜀cies complejas. Convierten objetos cotidianos en modelos digitales. Super㜀cies blandas, deformables yformas complejas pueden ser inspeccionadas fácilmente, siempre sin contacto con la pieza.Dependiendo de las necesidades de sus clientes, Faro proporciona la mejor solución para un amplio rango deaplicaciones en todo tipo de industrias. En combinación el software de CAM2 Measure 10, estos escáneresfacilitan a las empresas un paquete completo para la medición tanto con contacto como sin contacto.

Faro es pionera en tecnología de medición 3D. Concretamente, fabrica sistemas portátiles para mediciones 3D,inspección de piezas y captación de imágenes. Sus sistemas ayudan a simpli㜀car las inspecciones, reducir lostiempos de medición y evitar costosos errores. Y sus clientes se bene㜀cian de ellos, así como de su largaexperiencia. El propósito actual de la empresa es ayudar a hacer realidad las más altas exigencias de calidad delmercado. Por ello, su compromiso con sus clientes va más allá de sus servicios y el desarrollo constante de susproductos.

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