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DISEÑO DE UN HERRAMENTAL PARA LA
FABRICACIÓN DE UN ÁLABE DE VENTILADOR
CENTRIFUGO DE ÁLABES CURVADOS
TESIS
PARA OBTENER EL GRADO DE
MAESTRO EN MANUFACTURA AVANZADA
P R E S E N T A
ING. VÍCTOR MANUEL RAMOS RODRÍGUEZ
ASESOR: DR. NOÉ VILLA VILLASEÑOR
LERMA, ESTADO DE MÉXICO, SEPTIEMBRE DE 2019
I
DISEÑO DE UN HERRAMENTAL PARA LA
FABRICACIÓN DE UN ÁLABE DE VENTILADOR
CENTRIFUGO DE ÁLABES CURVADOS
II
AGRADECIMIENTOS
Le doy gracias a Dios por haberme acompañado y guiado a lo largo del posgrado, por
ser mi fortaleza en los momentos de debilidad y brindarme la oportunidad de tener una
vida llena de aprendizajes, experiencias y sobre todo de felicidad.
A mi esposa Liliana por estar presente no solo en esta etapa tan importante de mi vida,
sino en todo momento ofreciéndome el apoyo incondicional en busca de lo mejor para
nuestra familia.
A mis hijos Brandon y Flor Michelle por cada palabra de apoyo, gracias por cada
momento en familia sacrificado para ser invertido en mi desarrollo profesional, gracias
por entender que el éxito demanda sacrificios y que el no compartir tiempo con ellos es
parte de esos sacrificios.
Quiero agradecer a las instituciones que han hecho posible la realización de este trabajo
de tesis, al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) por el apoyo brindado
mediante una beca, al CIATEQ Estado de México, por las facilidades brindadas en el uso
de sus instalaciones y a la empresa Ventiladores Automotrices Mexicanos por la
confianza depositada para la realización del posgrado.
Por último y no por eso menos importante a mi asesor Dr. Noé Villa Villaseñor, por la
acertada orientación, soporte y discusión critica que me ha permitido un buen
aprovechamiento en el proyecto realizado, y con ello esta tesis llegara a buen término.
III
CARTA DE LIBERACIÓN DEL ASESOR
IV
CARTA DE LIBERACIÓN DEL REVISOR
V
RESUMEN
La empresa VENTILADORES AUTOMOTRICES MEXICANOS manufactura de forma manual
el producto denominado ventilador centrifugo de álabe curvada en diferentes
dimensiones de diámetro y altura, como producto de remplazo con una demanda
menor. En la actualidad está incursionando en la manufactura de productos de línea
lanzando al mercado dos configuraciones de diferentes tamaños. Una con 42 y otra con
36 álabes.
El presente trabajo de tesis se enfoca en la fabricación del componente denominado
álabe y consta de dos etapas. En la primera etapa se realiza un análisis estático al diseño
original para conocer valores de deformación aplicando cargas externas de fuerza con
la ayuda del módulo de simulación de SolidWorks. Una vez que se tiene este valor se
proponen nuevas configuraciones de diseño. Sin variar la geometría se realizan
pequeños refuerzos estructurales de estampado/acuñado. Posteriormente se evalúa su
comportamiento y en base a los resultados se selecciona el diseño que tenga menor
deformación.
En una segunda etapa se realiza el diseño de un herramental de uso específico, el cual
es propuesto como un troquel progresivo con alimentación manual dividido en cuatro
operaciones. Estampado/acuñado, punzonado y conformado simultaneo, curvado y
cizallado. Por la geometría de la pieza no se contempla material entre una y otra, por lo
tanto, el desperdicio se elimina sustancialmente, haciendo más eficiente el uso de
material.
Con el apoyo del CAD SolidWorks se modelarán las piezas del troquel progresivo,
posteriormente se generará un ensamble que nos permitirá verificar que no existan
interferencias en la operación. Se presentan planos de fabricación y lista de materiales
con la finalidad de plantear formalmente la manufactura de dicho herramental.
Palabras calve: Álabe, estampado, acuñado, ventilador centrifugo
VI
ABSTRACT
The company VENTILADORES AUTOMOTRICES MEXICANOS manufactures manually the
product called curved blade centrifugal fan in different dimensions of diameter and
height, as a replacement product with a lower demand. Currently, it is entering the
manufacturing of line products by launching two configurations of different sizes. One
with 42 and one with 36 blades
This thesis work focuses on the manufacture of the component called blade and consists
of two stages. In the first stage, a static analysis is performed on the original design to
determine deformation values by applying external force loads with the help of the
SolidWorks simulation module. Once this value is available, new design configurations are
proposed. Without changing the geometry, small structural reinforcements of stamping /
coining are made. Subsequently, its behavior is evaluated and based on the results, the
design with the least deformation is selected.
In a second stage, the design of a tool for specific use is carried out, which is proposed
as a progressive die with manual feed divided into four operations. Stamped / minted,
punching and conforming simultaneously, curved and sheared. Due to the geometry of
the piece, material between one and the other is not contemplated, therefore, waste is
substantially eliminated, making the use of material more efficient.
With the support of the SolidWorks CAD, the progressive die pieces will be modeled, later
an assembly will be generated that will allow us to verify that there is no interference in
the operation. Manufacturing plans and list of materials are presented in order to formally
state the manufacture of said tooling.
Keywords: Blade, stamped, coined, centrifugal fan
VII
TABLA DE CONTENIDO
Agradecimientos................................................................................................................. II
Carta de liberación del asesor ........................................................................................ III
Carta de liberación del revisor ....................................................................................... IV
Resumen .............................................................................................................................. V
Abstract .............................................................................................................................. VI
Tabla de contenido ......................................................................................................... VII
Lista de figuras ................................................................................................................... IX
Lista de tablas .................................................................................................................... XI
Capítulo 1 Introducción ............................................................................................................... 1
1.1 Antecedentes ...................................................................................................................... 1
1.1.1 Ensamble de un ventilador centrífugo ...................................................................... 2
Plato base ........................................................................................................................... 2
Aro lateral ............................................................................................................................ 2
Buje ....................................................................................................................................... 2
Álabe ................................................................................................................................... 3
Proceso de ensamble ....................................................................................................... 3
1.2 Definición del problema..................................................................................................... 4
1.3 Justificación.......................................................................................................................... 4
1.4 Objetivos ............................................................................................................................... 5
1.4.1 Objetivo general ........................................................................................................... 5
1.4.2 Objetivos específicos ................................................................................................... 5
1.5 Hipótesis ................................................................................................................................ 6
Capítulo 2 Marco teórico ............................................................................................................ 7
2.1 Ventilador centrífugo .......................................................................................................... 7
2.2 Análisis de elemento finito ................................................................................................. 8
2.3 Proceso de troquelado .................................................................................................... 10
2.3.1 Partes principales de un troquel ............................................................................... 10
2.3.2 Tipos de troqueles ....................................................................................................... 12
2.3.3 Procesos de manufactura mediante troquel......................................................... 13
Resistencia al corte de los materiales ........................................................................... 14
Corte .................................................................................................................................. 16
Punzonado ........................................................................................................................ 17
Estampado/acuñado ..................................................................................................... 18
Doblado ............................................................................................................................ 18
2.4 Tratamientos térmicos....................................................................................................... 19
VIII
2.4.1. Temple ......................................................................................................................... 19
2.4.2. Revenido ..................................................................................................................... 20
Capítulo 3 Procedimiento .......................................................................................................... 21
3.1 Análisis del diseño actual de álabe en cad de solidworks ......................................... 22
3.2 Propuestas de nuevos diseños de álabes ..................................................................... 28
3.3 Selección del proceso de fabricación .......................................................................... 32
3.3.1 Generación y planteamiento de las posibles alternativas .................................. 32
3.3.2. Selección de la alternativa más adecuada ......................................................... 33
3.3.3. Selección del tipo de troquel progresivo ............................................................... 34
3.3.4 Operaciones involucradas en el proceso .............................................................. 35
3.3.5 Componentes del troquel progresivo ..................................................................... 37
3.4 Optimización de la banda de chapa ........................................................................... 39
3.4.1 Distancia de separación entre piezas ..................................................................... 39
3.4.2 Separación entre una pieza y el borde del fleje ................................................... 39
3.4.3 Rendimiento de la banda de chapa ...................................................................... 40
3.4.4 Disposición de piezas sobre la banda de chapa .................................................. 40
3.5 Etapas del proceso de fabricación................................................................................ 42
3.6 Diseño del troquel progresivo .......................................................................................... 43
3.6.1 Placa base inferior ...................................................................................................... 45
3.6.2 Placa base superior .................................................................................................... 46
3.6.3 Placa porta punzones ................................................................................................ 47
3.6.4 Placa porta matriz ...................................................................................................... 48
3.6.5 Guía de banda ........................................................................................................... 49
3.6.6 Placa pisadora ............................................................................................................ 50
3.6.7 Punzones ...................................................................................................................... 51
Punzón de posicionamiento ........................................................................................... 52
Punzón para estampado ................................................................................................ 52
Punzón de acuñado ........................................................................................................ 53
Punzón de doblado/curvado convexo........................................................................ 54
Punzón de corte ............................................................................................................... 55
Punzón de paso ................................................................................................................ 56
Punzón cóncavo para curvado .................................................................................... 57
3.6.8 Matrices ........................................................................................................................ 57
Matriz de estampado acuñado, contorno y paso ..................................................... 58
Matriz de despuntador de extremos ............................................................................. 59
3.7 Elementos normalizados ................................................................................................... 59
3.7.1 Poste guía .................................................................................................................... 60
3.7.2 Bujes guía ..................................................................................................................... 60
3.7.3 Resortes ........................................................................................................................ 60
3.7.4 Tornillo guía .................................................................................................................. 61
IX
3.7.5 Tornillos ......................................................................................................................... 61
3.7.6 Pasadores .................................................................................................................... 61
3.8 Cálculo de parámetros .................................................................................................... 61
3.8.1 Descripción de un proceso de corte ...................................................................... 62
3.8.2 Fenómenos que se manifiestan durante el corte de la chapa .......................... 63
3.8.3 Efectos producidos en la pieza por el corte de la chapa ................................... 65
3.8.4 Dimensiones de las piezas troqueladas .................................................................. 65
3.8.5 Fuerzas producidas en el corte de la chapa ......................................................... 66
Fuerza de corte ................................................................................................................ 66
Fuerza de extracción ....................................................................................................... 68
Fuerza de expulsión ......................................................................................................... 68
3.8.6 Tolerancia de corte .................................................................................................... 69
3.8.7 Descripción del proceso de doblado ..................................................................... 71
3.8.8 Elección de los muelles .............................................................................................. 78
Características de los resortes ........................................................................................ 81
3.8.9 Fuerza de la prensa .................................................................................................... 81
Capítulo 4 Resultados ................................................................................................................. 82
Conclusiones ................................................................................................................................ 84
Aportación de la tesis ................................................................................................................. 86
Recomendaciones ..................................................................................................................... 87
Referencias bibliográficas ......................................................................................................... 88
Anexo A: Diagramas de detalle ............................................................................................... 89
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Proceso de fabricación plato base .......................................................................... 2
Figura 2: Proceso de fabricación de aro lateral ...................................................................... 2
Figura 3: Proceso de fabricación buje ....................................................................................... 2
Figura 4: Proceso de fabricación álabe .................................................................................... 3
Figura 5: Proceso de ensamble ventilador centrifugo ............................................................ 3
Figura 6: Voluta .............................................................................................................................. 7
Figura 7: Rodete con álabes o aletas curvas. .......................................................................... 7
Figura 8: a) Esfuerzos en el espacio 3D. b) Esfuerzos principales .......................................... 9
Figura 9: Partes principales que conforman un troquel ........................................................ 11
Figura 10: Grafico de esfuerzo deformación de ingeniería .................................................. 14
Figura: 11: Cizallado o corte de una lámina metálica ......................................................... 16
X
Figura 12: Punzonado fino ........................................................................................................ 17
Figura 13: Operación de Estampado / acuñado .................................................................. 18
Figura 14: Diseño actual de álabe ........................................................................................... 22
Figura 15 Dimensiones de álabe ............................................................................................... 22
Figura 16: Primer análisis. Proceso de ensamble .................................................................... 24
Figura 17: Trazado de tensiones análisis uno........................................................................... 24
Figura 18 Trazado de desplazamientos análisis uno .............................................................. 25
Figura 19: Segundo análisis. Álabe en funcionamiento ........................................................ 25
Figura 20: Trazado de tensiones análisis numero dos ............................................................ 26
Figura 21: Trazado de desplazamientos análisis dos .............................................................. 27
Figura 22: Propuesta 1 y 2 curvados tipo cordón a favor y en contra de forma lateral .. 28
Figura 23: Propuestas 3 y 4 de curvados tipo cordón a favor y en contra de forma
lateral sin salir de la pieza .......................................................................................................... 28
Figura 24: Propuestas 5 y 6 con curvado tipo cordón en bucle central a favor y en
contra del curvado..................................................................................................................... 29
Figura 25: Propuesta 7 de curvado de menor profundidad en contra al curvado del
álabe ............................................................................................................................................. 29
Figura 26: Análisis de trazado de desplazamiento propuesta 7 .......................................... 31
Figura 27: Operación de estampado / acuñado .................................................................. 35
Figura 28: Operación punzonado y conformado simultaneo ............................................. 36
Figura 29: Operación de doblado ........................................................................................... 36
Figura 30: Operación de Cizallado .......................................................................................... 37
Figura 31: Disposición de piezas en banda de chapa .......................................................... 42
Figura 32: Vista frontal y lateral de la banda de chapa con sus 5 operaciones .............. 43
Figura 33: Troquel progresivo ..................................................................................................... 45
Figura 34: Placa base inferior .................................................................................................... 46
Figura 35: Placa base superior .................................................................................................. 47
Figura 36: Placa porta punzones .............................................................................................. 48
Figura 37: Placa porta matriz ..................................................................................................... 49
Figura 38: Placas guía de banda ............................................................................................. 50
Figura 39: Placa pisadora .......................................................................................................... 51
Figura 40: Punzón de posicionamiento .................................................................................... 52
Figura 41: Punzón de estampado ............................................................................................. 53
Figura 42 Punzón de acuñado .................................................................................................. 54
Figura 43: Punzón de doblado curvo convexo ...................................................................... 54
Figura 44: Punzón de corte lateral ............................................................................................ 55
Figura 45: Perno de posicionamiento ...................................................................................... 56
Figura 46: Punzón de paso ......................................................................................................... 56
Figura 47: Punzón cóncavo para curvado ............................................................................. 57
Figura 48: Matriz de estampado acuñado, contorno y paso .............................................. 58
Figura 49: Matriz despuntador extremos .................................................................................. 59
Figura 50: Descripción del proceso de troquelado ............................................................... 63
Figura 51: Secuencias que se manifiestan durante el corte de chapa ............................. 64
XI
Figura 52: efectos producidos en el proceso de punzonado .............................................. 65
Figura 53: Aplicación de una tolerancia de corte excesiva. ............................................... 69
Figura 54: Aplicación de una tolerancia de corte insuficiente............................................ 70
Figura 55: Aplicación correcta de la tolerancia de corte .................................................... 70
Figura 56: Descripción del proceso de doblado .................................................................... 72
Figura 57: Desplazamiento molecular. ..................................................................................... 73
Figura 58 Detalle del comportamiento de las fibras de material en un proceso de
doblado. ....................................................................................................................................... 74
Figura 59: Representación gráfica del ángulo real a obtener y del ángulo ..................... 76
Figura 60: Posición de los resortes sobre la placa porta punzón ......................................... 79
Figura 61: Posición de los resortes sobre la placa porta matriz ............................................ 79
Figura 62 Diseño de troquel progresivo ................................................................................... 83
LISTA DE TABLAS
Tabla 1: Características principales acero ATSM A36 ........................................................... 23
Tabla 2: Parámetros de mallado .............................................................................................. 23
Tabla 3: Resultados de análisis 1 y 2 realizados a álabe curvada diseño actual ............. 27
Tabla 4: Resultados de análisis 1 y 2 de las 7 configuraciones propuestas ........................ 30
Tabla 5: Comparativo álabe diseño propuesta VS diseño actual ...................................... 31
Tabla 6: Componentes del troquel progresivo ....................................................................... 38
Tabla 7: Factor de tolerancia en función de la resistencia al corte. .................................. 70
Tabla 8: Posición de la línea de fibra neutra en función de r/e. ......................................... 75
Tabla 9: Estimación del factor k ................................................................................................ 77
Tabla 10: Características de los resortes .................................................................................. 81
Tabla 11: Comparativo Diseño actual vs Nuevo Diseño ....................................................... 82
1
CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN
1.1 ANTECEDENTES
El ser humano siempre ha buscado la creación de herramientas y máquinas que le
faciliten la realización de tareas peligrosas, pesadas y repetitivas. En los últimos tiempos,
la aparición de máquinas altamente sofisticadas ha dado lugar a un gran desarrollo del
campo de la automatización y el control de las tareas. Esto se aplica ya en muchas
máquinas que se manejan diariamente, lo cual ha permitido a las compañías
implementar procesos de producción más eficientes, seguros y competitivos.
Debe considerarse que, en el contexto de una economía competitiva, las empresas
están obligadas a ser eficientes, y que aquellas corporaciones que no tomen las
decisiones adecuadas o no se actualicen frente a los cambios que se generan en el
entorno, están condenadas a perder rentabilidad y desaparecer. De este modo, el
desarrollo de herramentales de aplicación específica en los procesos de producción
constituye una necesidad para ellas.
La empresa Ventiladores Automotrices Mexicanos ha estado dedicada por más de 40
años a la fabricación de ventiladores de remplazo para tracto camiones, autobuses y
maquinaria pasada. En la actualidad la empresa explora nuevos sectores, y uno de ellos
es el de la fabricación de extractores, ventiladores industriales axiales y centrífugos. En
un inicio la fabricación de estos productos solo se realizaba bajo el mismo esquema con
el que inicio la empresa, es decir, por remplazo de piezas. En los últimos años los
ventiladores centrífugos de álabes curvadas fabricados por esta empresa se han
posicionado como producto de línea para el sector de equipos para inflables. Ello ha
traído como consecuencia un aumento considerable en la producción de ventiladores
centrífugos de álabes curvadas de dos diferentes tamaños de diámetro y altura (9” X 5”
y 8” X 4”).
A continuación, se menciona un resumen del ensamble del ventilador en la forma que
es llevado a cabo actualmente.
2
1.1.1 Ensamble de un ventilador centrífugo
Para el ensamble de un ventilador centrifugo de álabe curvada se necesitan cuatro
componentes: aro lateral, plato base, álabe y un buje. El proceso para la fabricación de
cada uno de los componentes se muestra en las figuras 1, 2, 3 y 4 respectivamente.
PLATO BASE
Figura 1: Proceso de fabricación plato base
ARO LATERAL
Figura 2: Proceso de fabricación de aro lateral
BUJE
Corte de lamina en cizalla Proceso de punzonado para
alojamiento de álabes y contorno interno y externo
Esmerilado con disco abrasivo de contorno
interior y exterior
Corte de lamina en cizalla
Proceso de punzonado para alojamiento de
álabes y contorno externo
Esmerilado con disco abrasivo de contorno exterior
Embutido Troquelado de centro
de 1"
Corte de barra en cinta de cierra
Proceso de torneado
Barreno para prisionero
Roscado para
prisionero
Figura 3: Proceso de fabricación buje
3
ÁLABE
Para un ventilador centrífugo de álabe curvada de (9” X 5”) se requieren 42 álabes y
para uno de (8” X 4”) 36 álabes. El proceso de ensamble se comenta en la figura 5.
PROCESO DE ENSAMBLE
La elaboración del álabe implica la aplicación de procesos manuales y repetitivos que
están limitados estrictamente a la habilidad del operador, por lo que en muchas de las
ocasiones no se puede tener repetitividad y es muy complicado establecer un tiempo
ciclo del proceso. Los procesos de fabricación del aro lateral y del plato base están
controlados debido a que los procesos críticos de los barrenos para alojamiento de
álabes y los contornos exterior e interior son realizados en punzonadora. El buje es
elaborado en torno CNC y, por lo tanto, también es un proceso controlado.
introduccion, acentado y remachado de plato base
con álabes
introduccion, acentado y remachado de aro lateral
con álabes Remachado de buje Nivelado Balanceo estatico
Corte de tira en cizalla alto de álabe
Corte de tira en cizalla ancho de
álabe despunte 1 y 2 doblez
Figura 4: Proceso de fabricación álabe
Figura 5: Proceso de ensamble ventilador centrifugo
4
1.2 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
En la empresa Ventiladores Automotrices Mexicanos actualmente más del 70 % de las
operaciones de manufactura para la producción de este producto son de forma
manual, esto trae algunas consecuencias que a continuación se mencionan.
• Tiempo ciclo muy variado en la fabricación de componentes.
• Entregas de pedidos fuera de tiempo.
• Aumento en tiempo extra.
• Incremento en el costo del producto.
• Defectos en piezas, (re trabajos por componentes no conformes).
• Procesos con tolerancias dimensionales altas (± 0.062”).
• Incertidumbre en los clientes.
Al realizar el análisis de tiempo ciclo de cada uno de los componentes del ventilador
centrifugo de álabes curvadas nos podemos dar cuenta que el tiempo ciclo promedio
de fabricación del álabe es de 25 segundos por pieza, cabe comentar que para una
turbina de 9” x 5” se necesitan 42 álabes y para una de 8” x 4” se requieren 36, por lo
que los tiempos estimados para su fabricación son de 1050 y 900 s. respectivamente, los
cuales son excesivos comparados con la media de los demás componentes que es de
360 s.
Además, se ha observado una tendencia a la falla ocasionada por la deformación
sufrida por los álabes. Esto se debe a las elevadas fuerzas centrífugas a las que son
sometidos los álabes durante su operación a altas velocidades angulares.
1.3 JUSTIFICACIÓN
Al incorporar productos de línea en cualquier sector, uno de los factores más importantes
es el tiempo de entrega, que no permite margen de error. Además, es necesario
garantizar que la operación del producto sea satisfactoria en las condiciones de campo
para poder ofrecer un esquema de garantía atractivo. No se podrá mantener el ritmo
5
de crecimiento que se pretende por parte de la empresa si no se diseñan y fabrican
herramentales de uso específico en los procesos. Es importante demostrar cuál es nivel
de rendimiento que se puede alcanzar con los cambios que se propongan para poder
trasladar a la empresa hacia una filosofía de mayor eficiencia.
Al tener reducción en los tiempos de fabricación de los componentes, se puede atacar
gran parte de la problemática y con esto beneficiar a varios sectores de la empresa. En
la parte de manufactura, a los trabajadores, los cuales en la actualidad tienen que
realizar operaciones repetitivas por más de 6 horas diarias. En la parte administrativa con
entregas de pedidos en tiempo y en la parte económica, con la disminución de tiempo
extraordinario, al aumentar la productividad los costos de fabricación disminuirían y se
tendrá mayor utilidad y por supuesto el producto tendrá una mejor calidad, el tiempo
que los trabajadores empleaban en estas tareas se trasladara en realizar operaciones
de verificación del producto.
1.4 OBJETIVOS
1.4.1 Objetivo general
Diseñar un herramental de uso específico para el proceso de fabricación de álabe de
ventilador centrífugo de álabe curvada.
1.4.2 Objetivos específicos
• Analizar el proceso actual de producción de turbinas.
• Realizar un análisis estático al componente denominado álabe aplicando cargas
externas de fuerza al diseño original.
• Proponer, analizar y evaluar álabes de nueva creación con diferentes
configuraciones de refuerzos estructurales de acuñado/estampado compatibles
con los parámetros geométricos del diseño original.
6
• Hacer el diseño conceptual de los herramentales para la manufactura de
componentes mediante el uso del CAD SolidWorks.
• Validar el diseño conceptual de los herramentales mediante el CAD SolidWorks.
• Realizar el diseño de detalle de los herramentales que se utilizarán en el proceso
de fabricación.
1.5 HIPÓTESIS
Es posible realizar un nuevo diseño de álabe de ventilador centrífugo que posea mejores
propiedades mecánicas comparando contra el que se fabrica actualmente. El álabe
de nueva creación puede ser manufacturado mediante un herramental de uso
específico diseñado eficientemente para semi automatizar el proceso. El
análisis/evaluación del diseño del componente álabe y el desarrollo del herramental de
uso específico para el proceso semiautomático en la manufactura del álabe de
ventilador centrifugo, permitiría a la empresa Ventiladores Automotrices Mexicanos
resolver en gran parte los problemas de calidad, desperdicio, garantía y tiempos de
entrega a clientes e incursionar en los mercados competitivos de piezas originales.
7
CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO
2.1 VENTILADOR CENTRÍFUGO
Un ventilador centrífugo es un aparato compuesto de un rodete de álabes o aletas que
gira dentro de una carcasa espiral o espiraloide conocida como voluta. La rotación del
rodete se asegura mediante un motor, generalmente eléctrico, siendo su finalidad poner
en movimiento aire o un flujo gasiforme. El aire es aspirado por el centro y lo expulsa a
través de esos álabes o palas. Así pues, el aire entra al rodete de forma paralela a su eje
y sale en dirección perpendicular al mismo, es decir en la dirección de un radio, de ahí
que en muchos países se les llame también ventiladores radiales, en las figuras 6 y 7 se
muestra la voluta y el rodete con álabes o aletas curvas, respectivamente.
Figura 6: Voluta
Figura 7: Rodete con álabes o aletas curvas.
8
2.2 ANÁLISIS DE ELEMENTO FINITO
El análisis de elemento finito, comúnmente llamado FEA (Finite Element Analysis) por sus
siglas en inglés, es una técnica de análisis por métodos numéricos, el cual es usado para
resolver problemas de muchas disciplinas de la ingeniería, tales como el diseño de
máquinas, dinámica de fluidos, entre otros (1). El método divide el modelo bajo análisis
en numerosas piezas pequeñas de formas simples llamadas “elementos” que permiten
representar eficazmente un problema complejo mediante muchos problemas simples
que deben de ser resueltos de manera simultánea. Los elementos comparten puntos
comunes denominados nodos. El proceso de división del modelo en pequeñas piezas se
denomina mallado. El comportamiento de cada elemento es bien conocido bajo todas
las situaciones de soporte y de cargas posibles.
En ingeniería mecánica, los métodos de FEA son muy usados para el análisis y la solución
de problemas de estructuras, vibraciones y problemas térmicos.
SolidWorks Simulation es una implementación de FEA capaz de resolver problemas
comúnmente encontrados en la ingeniería de diseño, tales como análisis de
desplazamientos, esfuerzos, frecuencias naturales, vibración, flujo de calor, entre otros.
Este software permite generar el estudio por medio de suposiciones dadas para el
análisis, generando resultados que permiten establecer si los materiales en el prototipo
muestran tendencia a fallar y así encontrar la mejor solución. En un análisis de tensión,
por ejemplo, el solucionador encuentra los desplazamientos en cada nodo, luego
calcula las deformaciones unitarias y finalmente determina las tensiones.
En el análisis del FEA, existen varios estudios disponibles, entre los cuales se encuentran
los esfuerzos principales, factor de seguridad y el esfuerzo de Von Mises (2). El esfuerzo de
Von Mises, también llamado esfuerzo de Huber, es una medida de esfuerzo que involucra
a las seis componentes del esfuerzo presentes en el espacio 3D (ver Figura 8), el cual está
basado en la teoría de la energía máxima de distorsión (3).
9
Figura 8: a) Esfuerzos en el espacio 3D. b) Esfuerzos principales
En la Figura 8, dos componentes del esfuerzo cortante y una componente del esfuerzo
normal actúan en cada lado del cubo. Debido a la simetría de esfuerzos cortantes, el
estado general 3D de esfuerzos es caracterizado por seis componentes de esfuerzos
𝜎𝑥𝑥´, 𝜎𝑦𝑦´ , 𝜎𝑧𝑧 𝑦 𝜎𝑥𝑦 = 𝜎𝑦𝑥´ 𝜎𝑦𝑧 = 𝜎𝑧𝑦´ 𝜎𝑥𝑧 = 𝜎𝑧𝑥 como se muestra en la figura 8(a).
El esfuerzo de Von Mises (𝜎𝑣𝑚) puede ser expresado con las seis componentes del
esfuerzo en 3D, como se muestra en la ecuación (3).
A = (𝜎𝑥𝑥 − 𝜎𝑦𝑦 )2 + (𝜎𝑦𝑦 − 𝜎𝑧𝑧 )2+ (𝜎𝑧𝑧 − 𝜎𝑥𝑥 )2 (1)
B = (𝜎𝑥𝑦2 + 𝜎 𝑦𝑧
2 + 𝜎𝑧𝑥2 ) (2)
𝜎𝑣𝑚= √0.5𝐴 + 3𝐵 (3)
A su vez puede ser basado en el teorema de los esfuerzos máximos principales 𝜎1, 𝜎2, 𝜎3
(4) (Figura 8b) los cuales están dados en la ecuación (4).
𝜎1 = 1
2 (𝜎𝑥𝑥 + 𝜎𝑦𝑦) +
1
2 √(𝜎𝑥𝑥 − 𝜎𝑦𝑦)2 + 4𝜎𝑥𝑦
2 (4)
Los esfuerzos 𝜎2 y 𝜎3 vienen dados de las relaciones restantes, 𝜎𝑦𝑧 y 𝜎𝑥𝑧.
El esfuerzo de Von Mises (𝜎𝑣𝑚 ) se encuentra dado también por la ecuación (5).
a) b)
10
𝜎𝑣𝑚 = √0.5 ((𝜎1 − 𝜎2)2 + (𝜎2 − 𝜎3)
2 + (𝜎3 − 𝜎1)2 (5)
La deformación unitaria es el cambio en el tamaño o forma de un objeto debido a
esfuerzos presentes sobre él, que está definido como el cambio de longitud con respecto
a una longitud inicial, presente en la ecuación (6).
𝑒 =Ι 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙ΔΙ (6)
El desplazamiento (URES) es la magnitud del vector �⃗⃗� o vector de desplazamientos, que
está compuesto por los movimientos en los tres ejes coordenados �⃗⃗� 𝑥, �⃗⃗� 𝑦 y �⃗⃗� 𝑧 y está
definida por la ecuación (7).
URES = |�⃗⃗� | = √𝑈𝑥2 + 𝑈𝑦
2 + 𝑈𝑧2 (7)
2.3 PROCESO DE TROQUELADO
Al conjunto de operaciones con las cuales, sin producir viruta, se somete una lámina
plana a ciertas transformaciones a fin de obtener una pieza de forma geométrica
propia, se denomina troquelado o estampado. Este trabajo se realiza con troqueles en
máquinas llamadas prensas (generalmente de movimiento rectilíneo reciprocante). Los
parámetros principales que se tienen en cuenta en un proceso de troquelado son la
forma y los materiales del punzón y la matriz, la velocidad y la fuerza de punzonado, la
lubricación, el espesor del material y la holgura o luz entre el punzón y la matriz, así como
entre los formadores. La determinación de la tolerancia entre estas herramientas influirá
en la forma geométrica de la pieza y la calidad del borde cortado.
2.3.1 Partes principales de un troquel
La herramienta de manufactura cuyo propósito es producir partes consistentes y según
requisitos especificados se denomina troquel. Las principales partes que lo conforman se
ilustran en la figura 9.
11
Figura 9: Partes principales que conforman un troquel
La descripción general y la función que cumplen en el conjunto son descritas a
continuación:
• Espiga: De acuerdo con las especificaciones de la prensa, este elemento se
diseña con el fin de permitir un montaje centrado y repetitivo del troquel con
respecto a la parte móvil en la prensa, a su vez permite el amarre íntegro de la
parte superior del troquel.
• Base superior del troquel: Es el elemento rígido que alberga herramientas y
subconjunto superiores del troquel.
• Porta punzón: Porta herramienta, que de acuerdo con los requerimientos permite
centrar y guiar el punzón.
• Punzón o macho: Es el elemento que ejerce presión sobre la lámina a troquelar,
cortándola gracias al juego existente entre éste y la matriz.
12
• Matriz o hembra: Es uno de los elementos primordiales de un troquel, debido que
permite gracias a sus dimensiones la entrada del punzón para efectuar el corte
de la lámina, Allí se encuentra tallada con exactitud la figura de la pieza que se
ha de obtener. La superficie de la matriz determina la vida del troquel, debido a
que posee una porción recta que se va desgastando con el uso y debe ser
rectificada para conservar una buena calidad de los productos.
• Placa extractora: Orientan la lámina haciendo que ésta se mantenga alineada
según el trabajo requerido, a su vez Impide el movimiento de la lámina antes de
realizar el troquelado y garantiza su correcta ubicación con respecto a la hembra
y el macho.
• Chapa: Materia prima a ser troquelada.
• Base inferior del troquel: Elemento rígido que alberga herramientas y subconjuntos
inferiores del troquel.
• Porta matriz: Porta herramienta que de acuerdo con los requerimientos permite
centrar y guiar la matriz en la parte inferior del troquel.
• Reglas guía: Forman parte de un grupo de accesorios que complementan la
funcionalidad del troquel, su función principal es guiar la chapa que luego será
troquelada.
• Resortes de espira redonda: Presionan la placa guía contra el fleje a troquelar,
evitando que se deforme durante el corte.
2.3.2 Tipos de troqueles
En la industria existen gran variedad de troqueles, cada uno se puede considerar una
pieza única debido a la puntualidad para lo cual este dispositivo se diseña. La
clasificación de estos se da de acuerdo con su funcionalidad principal entre las que se
13
encuentran: cizallado, corte, doblado, perforado, estampado, embutido, etc. Es común
encontrar troqueles que combinen dos o más operaciones.
La estructura de un troquel debe responder a la forma de la pieza; pero influye también
el número de piezas a fabricar, su material, etc. A pesar de existir, como antes se ha
dicho, muchos tipos de troqueles, estos se pueden reducir a unos cuantos
fundamentales, de los cuales se derivan los demás como variantes.
Clasificación general:
• Troqueles Simples: Estos troqueles permiten realizar solamente una operación en
cada golpe o ciclo, son de baja productividad y normalmente es necesario el uso
de otros troqueles para poder concluir una pieza y considerarla terminada.
• Troqueles Compuestos: Estas herramientas permiten aprovechar la fuerza ejercida
por la maquina actuadora realizando dos o más operaciones en cada golpe o
ciclo, agilizando considerablemente el proceso de obtención de piezas.
• Troqueles Progresivos: Estos dispositivos mecánicos, constan de diferentes etapas
o pasos, cada uno de ellos modifica el material en una determinada secuencia
establecida en el diseño, de tal manera que al final del recorrido por las
estaciones del troquel es posible obtener una pieza o piezas terminadas.
2.3.3 Procesos de manufactura mediante troquel
Un proceso de fabricación es el conjunto de operaciones unitarias necesarias para
modificar las características de las materias primas; estas características pueden ser de
naturaleza muy variada tales como la forma, la densidad, la resistencia, el tamaño o la
estética.
14
RESISTENCIA AL CORTE DE LOS MATERIALES
Debido a que los metales deben ser conformados en la zona de comportamiento
plástico es necesario superar el límite de fluencia para que la deformación sea
permanente. Por lo cual, el material es sometido a esfuerzos superiores a sus límites
elásticos, estos límites se elevan consumiendo así la ductilidad. Este proceso se ilustra en
la Figura 10.
Figura 10: Grafico de esfuerzo deformación de ingeniería
En una curva común del esfuerzo-deformación de ingeniería de una prueba de tensión
de un elemento metálico. El esfuerzo en cualquier punto de la curva se define como la
fuerza dividida entre el área original como se muestra en la ecuación (8).
𝝈 = 𝑭 𝑨 (8)
Donde:
𝝈 = Esfuerzo [Mpa]
𝑭 = Fuerza [N]
𝑨 = Área de la sección transversal [mm2]
15
De igual forma la deformación de ingeniería en cualquier punto de la prueba está dada
por la ecuación (9)
𝒆 = 𝑳−𝑳𝒐 𝑳𝒐 (9)
Dónde:
𝒆 = deformación de ingeniería [mm/mm]
𝑳 = longitud en cualquier punto durante el estiramiento, [mm]
𝑳𝒐 = longitud de medición original, [mm].
Las unidades de la deformación de ingeniería representan estiramiento por unidad de
longitud, sin unidades. La relación esfuerzo-deformación de la figura 10, tiene dos
regiones que indican dos modos distintos de comportamiento:
• Región elástica: En la región elástica, la relación entre el esfuerzo y la deformación
es lineal, y el material muestra un comportamiento elástico porque regresa a su
longitud original si la carga (esfuerzo) se interrumpe.
• Región plástica: El límite elástico (Y) de la figura 10, también conocido como
esfuerzo de deformación, es el punto que marca el comienzo de la deformación
plástica del material. En esta región el material es deformado permanente e
irreversiblemente cuando se encuentra sometido a esfuerzo. La aplicación
continuada de cargas hace que se llegue a un punto de fractura del material.
En ingeniería, las propiedades mecánicas de los materiales son las características
inherentes las cuales permiten diferenciar un material de otro; en un proceso de
fabricación es necesario tener en cuenta estas características, las cuales proyectan y
facilitan cálculos del comportamiento de que el material que pueda presentar, en el
proceso.
16
CORTE
El corte de lámina se realiza por una acción de cizalla entre dos bordes afilados de un
par de herramienta llamadas punzón y matriz respectivamente, la acción se describe en
los cuatro pasos esquematizados en la figura 11.
Figura: 11: Cizallado o corte de una lámina metálica
Los parámetros importantes en el corte de láminas metálicas son el espacio entre el
punzón y la matriz troquel, el espesor del material, el tipo de metal discriminando las
propiedades mecánicas del mismo, y la longitud o perímetro del corte. Estos datos físicos
se involucran en fórmulas triviales que permiten un cálculo acertado del proceso de
corte. Esta rutina se describe con detalle el capítulo 3 en la sección de cálculos del
presente documento.
En la figura 11, se muestra el proceso de corte o cizallado de una lámina metálica de
espesor (t), el borde superior del punzón se mueve hacia abajo sobrepasando el borde
estacionario inferior de corte de la matriz. Cuando el punzón empieza a empujar el
material, ocurre una deformación plástica en las superficies de la lámina; conforme éste
continúa su movimiento vertical hacia abajo, ocurre la penetración, en la cual
comprime la lámina y corta el metal.
17
PUNZONADO
El punzonado es una derivación del proceso de corte cuya principal característica es
que implica el corte de una lámina de metal a lo largo de una línea cerrada es decir un
contorno o un perímetro en un solo paso para separar la pieza del material circundante;
la pieza que se corta es el producto deseado en la operación y se designa como la
parte o pieza deseada.
• Punzonado fino: Se usa para cortar piezas con tolerancias muy estrechas y
obtener bordes rectos y lisos en un solo paso.
La disposición típica para esta operación se ilustra en la figura 12. Al principio del
ciclo, una placa de presión aplica una fuerza de sujeción Fh contra la lámina
adyacente al punzón, a fin de comprimir el metal y prevenir la distorsión. El punzón
desciende entonces con una velocidad más baja de lo normal y con espacios
más reducidos para producir las dimensiones y los bordes de corte deseados.
Figura 12: Punzonado fino
El proceso de punzonado fino se realiza usualmente para espesores relativamente
pequeños del material.
18
ESTAMPADO/ACUÑADO
Las operaciones de estampado/acuñado se utilizan para crear refuerzos y grabados en
relieve. Estas operaciones tienen por objeto obtener relieves sobre partes metálicas
planas, mediante un impacto instantáneo, manteniendo el metal que se desea grabar
entre una matriz y un punzón, en los cuales se ha detallado exactamente la forma que
se desea producir (ver figura 13). La operación se efectúa por un golpe o impacto
instantáneo, es decir en un tiempo muy breve, obteniéndose durante dicho tiempo una
deformación en la pieza que se desea acuñar o estampar, aprovechando las
condiciones plásticas de los metales y obligando a estos, durante el impacto, a rellenar
todos los huecos que quedan entre el punzón y la matriz.
Figura 13: Operación de Estampado / acuñado
DOBLADO
La operación de doblado y sus resultantes, la encorvadura, el rebordeado, perfilado y
engrapillado, tiene una gran importancia en el ciclo de estampado, en la cual ocupan
la fase intermedia entre el punzonado y el embutido. Estas operaciones consisten en
variar la forma de un objeto de chapa metálica, sin alterar el espesor, de modo que
todas las secciones sucesivas sean iguales. El proceso de doblado es una operación que
generalmente se realiza mediante punzón y matriz, aunque la producción de piezas de
gran formato suele efectuarse en prensas plegadoras.
19
Para una correcta operación de doblado, se han de tener en cuenta el radio de
curvatura y la elasticidad del material este proceso se detalla en el capítulo 3, sección
de cálculo de parámetros.
2.4 TRATAMIENTOS TÉRMICOS
El conjunto de rutinas de calentamiento y enfriamiento bajo situaciones controladas de
temperatura, tiempo de permanencia, velocidades y presiones de los metales o las
aleaciones en estado sólido, para efectuar cambios microestructurales en el material se
conoce como tratamiento térmico. El principal objetivo es la modificación de las
propiedades mecánicas del elemento, especialmente la dureza, la resistencia y la
elasticidad.
2.4.1. Temple
Este tipo de tratamiento térmico enfoca su procedimiento al calentamiento del acero
hasta una temperatura de austenización la cual depende de la composición química.
Posteriormente se emplea un tiempo de sostenimiento a dicha temperatura para que
ocurra la transformación de la estructura que posee el acero cuando se encuentra a
temperatura ambiente, y finalmente se somete a enfriamiento a una velocidad crítica
proporcionada por el medio de enfriamiento que se vaya a utilizar.
El objetivo principal del temple es endurecer el acero. Dependiendo del material base,
la temperatura y tiempo de calentamiento, y severidad del enfriamiento se puede
conseguir una amplia gama de durezas; la gran mayoría de los aceros destinados al uso
industrial se pueden templar.
Las propiedades principales para mejorar con este tipo de tratamiento térmico son:
• Dureza: que se puntualiza como la resistencia que ofrece un material para dejarse
penetrar. Se mide en unidades BRINELL (HB), unidades ROCKWEL C (HRC) o
VICKERS (HV).
20
• Resistencia al desgaste: descrita como resistencia que ofrece un material a
dejarse erosionar cuando está en contacto de fricción con otro material.
2.4.2. Revenido
Luego del temple realizado a un acero, se hace indispensable proceder con un
tratamiento térmico de revenido el cual consiste en someter la pieza a una temperatura
y un enfriamiento apropiado en un tiempo adecuado. Este tratamiento le permite al
acero neutralizar lentamente las tensiones internas producidas durante el temple y
estabilizar sus estructuras, para así conservar parte de la dureza y aumentar la
capacidad de absorber energía sin producir fisuras, (resistencia al impacto) dejando al
acero con la dureza deseada.
21
CAPÍTULO 3 PROCEDIMIENTO
Se realizará un nuevo diseño de álabe curvada para un ventilador centrífugo con el
propósito de maximizar su rigidez por medio de curvaturas tipo cordón empleando
procesos de estampado y acuñado.
En ventiladores existentes se ha observado la tendencia a la falla debido a la
deformación sufrida en los álabes. Se ha visto que la deformación es ocasionada por las
fuerzas centrífugas experimentadas por los álabes, particularmente cuando los
ventiladores operan a altas velocidades angulares. Se plantea en este trabajo, una
solución mediante el incremento de la resistencia a la deformación. Para este fin, se
propone incluir refuerzos por medio de estampados y acuñados de cordones que
mejoren las características estructurales, empleando los mismos materiales de
construcción.
Para caracterizar el problema, se plantea la realización de dos análisis estáticos
aplicando cargas externas de fuerza al diseño actual del álabe. Se dispone a realizar el
análisis estático utilizando el complemento de simulación del software CAD-CAE
SolidWorks, el cual se basa en un análisis por medio de herramientas de elementos finitos.
Se realizarán dos tipos de análisis. El primer análisis (denominado análisis número uno en
lo sucesivo), es para determinar cuanta fuerza soporta el álabe en el proceso de
ensamble. El segundo análisis (denominado análisis número dos en lo sucesivo), se
realizará para saber cuál es la fuerza que soporta el álabe cuando esta se encuentra en
funcionamiento.
El análisis número uno se realiza para el proceso de ensamble. Aquí cabe señalar que en
este proceso se realizan dos operaciones: la primera de ellas es un asentado del álabe
con el plato base, la segunda es un remachado en el cual una pequeña porción de
material del álabe es desgarrada y prensada para posteriormente doblar la cabeza del
álabe y así asegurar su fijación. Este proceso se repite con el aro lateral.
22
El análisis número dos se realiza debido a que los álabes experimentan elevadas fuerzas
centrífugas cuando el ventilador centrífugo está en funcionamiento, particularmente a
elevadas velocidades angulares.
3.1 ANÁLISIS DEL DISEÑO ACTUAL DE ÁLABE EN CAD DE SOLIDWORKS
La primera acción del procedimiento de investigación consiste en analizar el diseño
actual del álabe de ventilador centrífugo de 9” X 5”, el cual se muestra en la figura 14.
Las dimensiones y curvatura establecidas del álabe se muestran en la figura 15
El material que se utiliza en la fabricación del álabe es un acero ASTM A36 laminado en
calibre 22 (.030” o 0.80mm). En la tabla 1 se muestran las características principales del
material.
Figura 14: Diseño actual de álabe
Figura 15 Dimensiones de álabe
23
Para poder realizar el análisis de elemento finito como ya se había mencionado con
anterioridad se tiene que definir un tipo de mallado, para los dos casos que se estudian
en esta sección se utiliza una malla solida basada en curvatura de cuatro puntos. Las
características se muestran en la tabla 2.
Tabla 2: Parámetros de mallado
En el análisis número 1 se restringe la parte inferior del álabe (ver figura 16). Con esto se
impide que sus nodos tengan algún grado de libertad (restricción de fijación total). Al
mismo tiempo se ha definido una carga homogénea en parte superior de 56 Kgf. Esta
carga simula el proceso de asentado y remachado.
Tabla 1: Características principales acero ATSM A36
24
La mayor tensión para el análisis número 1 se encuentran en la zona inferior del álabe,
esta es de 2454.64 (kgf/cm²), la cual es inferior al límite elástico del material y se
representa en la figura 17.
Figura 16: Primer análisis. Proceso de ensamble
Figura 17: Trazado de tensiones análisis uno
25
El mayor desplazamiento en el análisis número 1 se produce en la parte superior del
álabe con un valor de 1.687mm (ver figura 18).
Figura 19: Segundo análisis. Álabe en funcionamiento
Figura 18 Trazado de desplazamientos análisis uno
26
Para el análisis número 2 se ha restringido la parte inferior y superior del álabe (ver figura
19) con fijación total como en el análisis anterior. Al mismo tiempo se ha definido una
carga homogénea distribuida por la parte interior de la curvatura del álabe de 35 Kgf,
esta carga simula la presión que se ejerce por el aire, cuando el ventilador centrífugo
está en funcionamiento.
Para el análisis número 2 la mayor tensión se encuentra en los extremos del álabe,
prácticamente en la zona de sujeción. Esta tensión tiene el valor de 2488.74 (kgf/cm²), la
cual tampoco rebasa el limite elástico del material. Los análisis de tensión se muestran
en la figura 20.
Figura 20: Trazado de tensiones análisis numero dos
En el análisis número 2 el desplazamiento mayor se concentra en la parte central, como
es de esperarse, este tiene un valor de .15mm. Este resultado se muestra en la figura 21.
27
Con los resultados obtenidos se puede determinar que al no rebasarse el límite elástico
del material (2549.275 Kgf/cm²), la deformación producida por los desplazamientos no
es permanente, el material regresara al estado que tenía antes de someterse a dichas
cargas. También se determinó la fuerza que se puede aplicar a la pieza sin tener
afectaciones estructurales, la cual nos servirá como parámetro para análisis posteriores
en las propuestas de diseño.
En la Tabla 3 se muestra un resumen de los resultados obtenidos en los análisis efectuados
en esta sección.
Tabla 3: Resultados de análisis 1 y 2 realizados a álabe curvada diseño actual
No. de
análisis
Descripción Fuerza aplicada Tensiones Desplazamiento
1
Análisis estático con fijación de la pieza
por la parte inferior y aplicación de fuerza
por la parte superior.
56Kgf 2454.64 (kgf/cm2)
1.687mm
2
Análisis estático con fijación en ambos
extremos y aplicación de fuerza en la
parte interior de la curvatura.
35 Kgf 2488.74 (kgf/cm2)
.15mm
Figura 21: Trazado de desplazamientos análisis dos
28
3.2 PROPUESTAS DE NUEVOS DISEÑOS DE ÁLABES
Con el propósito de maximizar la rigidez del álabe se emplearán procesos de
estampado/acuñado realizando curvados de tipo cordón. A los nuevos diseños
propuestos se les realizan procesos de simulación equivalentes a los análisis número uno
y dos para efectos de comparación.
En una primera propuesta se han diseñado dos configuraciones realizando curvados tipo
cordón en las partes laterales que pasaran por todo el largo de la pieza a favor y en
contra del curvado como se muestran en la figura 22.
Tras realizar los análisis uno y dos a las configuraciones de la figura 22 (1 y 2), no se
observan resultados significativamente diferentes, por lo cual se proponen dos nuevas
configuraciones (3 y 4) en las cuales los curvados siguen siendo laterales en contra y a
favor del curvado principal pero ahora se quedarán en los límites a lo largo del álabe
como se muestran en la figura 23.
Figura 22: Propuesta 1 y 2 curvados tipo cordón a favor y en contra de forma lateral
Figura 23: Propuestas 3 y 4 de curvados tipo cordón a favor y en contra de forma lateral sin salir
de la pieza
29
Las configuraciones 3 y 4 muestran una mejora comparadas con 1 y 2, pero tampoco
ha sido muy significativa para el análisis número 2 (ventilador centrifugo en movimiento).
Con el propósito de tener mejores resultados se realizaron dos configuraciones más (5 y
6). En esta ocasión se utiliza un bucle por el contorno del álabe el cual se realiza al igual
que en las configuraciones 3 y 4, es decir, a favor y en contra del curvado principal como
se muestra en la figura 24.
Con este par de configuraciones se logró resultados considerablemente mejores con
respecto a los cuatro anteriores, pero al considerar la futura fabricación del herramental,
se propone una nueva configuración (7), con un curvado de menor profundidad en
contra al curvado del álabe que se propagara por la mayor parte de la superficie, el
cual tiene mejores resultados en el análisis número 1 con respecto a los anteriores y un
resultado muy aceptable en el análisis número 2 con respecto a las configuraciones 3 y
4. El diseño se muestra en la figura 25.
Figura 24: Propuestas 5 y 6 con curvado tipo cordón en bucle central a favor y en contra del
curvado
Figura 25: Propuesta 7 de curvado de menor profundidad en
contra al curvado del álabe
30
En la tabla 4 se muestran los resultados de los análisis 1 y 2 que se aplicaron a las 7
configuraciones propuestas, realizadas bajo los mismos criterios del álabe del diseño
actual.
Tabla 4: Resultados de análisis 1 y 2 de las 7 configuraciones propuestas
Actual
Configuraciones propuestas
1 2 3 4 5 6 7
An
álisis
1 Tensiones
(kgf/cm2)
Fuerza de 56 kgf
2454.64 1247.06 1271.58 1416.82 1312.7 1469.16 1404.51 1302.06
Desplazamiento
(mm)
Fuerza de 35 kgf
1.6867 0.71379 0.74608 0.79337 0.68392 0.77371 0.68919 0.65553
2 Tensiones
(kgf/cm2)
Fuerza de 56 kgf
2488.74 2836.13 3475.71 2485.8 2387.11 1838.51 1731.47 1715.91
Desplazamiento
(mm)
Fuerza de 35 kgf
0.15009 0.15298 0.17896 0.13828 0.14117 0.07407 0.06939 0.09022
En la tabla 4 se muestran las tensiones y desplazamientos con la aplicación de 56 y 35
Kgf, respectivamente en los dos análisis que se realizaron al álabe de diseño actual.
Como puede observarse en la tabla 4, la configuración número 7 es la que tiene el
menor desplazamiento y menor tensión en el análisis número 1. Esta misma configuración
7 en el análisis número 2 tiene la menor tensión de todas, pero mayor desplazamiento
que el número 5 y 6. Sin embargo, también se puede observar que tiene una mejora muy
significativa con respecto al diseño actual, además de la que manufactura del
herramental sería más sencillo que en la configuración 5 y 6 por la altura del cordón. Por
lo tanto, el análisis comparativo permite concluir que la mejor configuración es la numero
7 de la Figura 25.
Se realizó el análisis a la configuración número 7 para determinar cuál es la fuerza
máxima que soporta el álabe en el análisis 1 y 2 sin exceder el límite elástico del material.
Se realiza un comparativo con los experimentos obtenidos del diseño actual en términos
de porcentaje. Los resultados de este comparativo se muestran en la tabla 5.
31
Tabla 5: Comparativo álabe diseño propuesta VS diseño actual
Actual Configuración No. 7
No. de
análisis
Descripción Fuerza aplicada Tensiones Desplazamiento Fuerza
aplicada
Tensiones Desplazamiento
1 Análisis estático con fijación de la pieza
por la parte inferior y por la parte
superior aplicación de fuerza
56Kgf 2454.64
(kgf/cm2)
1.687mm 108Kgf 2511.12
(kgf/cm2)
1.264 mm
2 Análisis estático con fijación en los
extremos y aplicación de fuerza en la
parte frontal
35 Kgf 2488.74
(kgf/cm2)
.15mm 51 Kgf 2500.32
(kgf/cm2)
0.13 mm
Como se puede observar en la tabla 5, en el análisis número 1 se pude suministrar un
92.85% más de unidades de Kgf sin exceder el límite elástico del material y en el análisis
número 2 un 45.71%. En cuanto al desplazamiento podemos observar que es muy similar
con las nuevas cargas al desplazamiento del álabe actual.
En la figura 26 se muestran los análisis realizados con las nuevas cargas, con lo que se
puede corroborar que no se excede el límite elástico del material bajo los criterios de
tensión máxima de Von Mises.
Una vez realizados los análisis estáticos aplicando cargas externas de fuerza a las
diferentes configuraciones de álabe, y observando los resultados, se toma la
Figura 26: Análisis de trazado de desplazamiento propuesta 7
32
determinación de fabricar el álabe con la configuración número 7, la cual proporciona
mayor rigidez y cumple con los criterios de operación predefinidos.
3.3 SELECCIÓN DEL PROCESO DE FABRICACIÓN
3.3.1 Generación y planteamiento de las posibles alternativas
Para fabricar grandes series de piezas de chapa existen dos alternativas:
a) Matriz simple. Es una matriz que ejecuta una sola fase de todo un proceso productivo,
por lo que si hay varias fases, como es nuestro caso, tendrá que haber tantas matrices
simples como operaciones a realizar.
Ventajas:
1. Fácil diseño.
2. Baja inversión económica.
3. Posibilidad de reutilización de la matriz.
Inconvenientes:
1. Difícil automatización del proceso.
2. Mayor mano de obra.
3. Necesidad de varias matrices simples.
4. Necesidad de varias prensas.
5. Coste de pieza elevado.
6. Menor producción.
b) Matriz progresiva. Matriz concebida para ejecutar automática y simultáneamente las
diferentes fases de un proceso. La fabricación de piezas mediante estas matrices se
efectúa a partir de una tira de material continua, que entra por un costado de la matriz
y va avanzando por el interior, y simultáneamente se van ejecutando las distintas fases
del proceso hasta obtener la pieza final.
33
Ventajas:
1. Fácil automatización del proceso de fabricación.
2. Reducción de la mano de obra.
3. Utilización de una sola matriz.
4. Utilización de una sola prensa.
5. Mayor producción.
6. Coste de pieza bajo.
7. Mayor aprovechamiento del material.
Inconvenientes:
1. Mayor complejidad en el diseño.
2. Coste elevado.
3.3.2. Selección de la alternativa más adecuada
Al ser una producción media (42,000 piezas semanales), y al tratarse de un proceso de
fabricación en el que hay varias operaciones distintas, lo más recomendable es escoger
la alternativa de un troquel progresivo. Si se escogiera la alternativa de la matriz simple,
habría que realizar una matriz por cada operación, es decir, habría que realizar el diseño
de varias matrices. Además, el coste aumentaría, ya que habría que utilizar más prensas,
con lo que aumenta la mano de obra y disminuiría la producción. Con un troquel
progresivo se abarataría el coste de la pieza, en un futuro se tendría un alto grado de
automatización en el proceso de fabricación, se reduciría la mano de obra, se
conseguiría un mayor aprovechamiento del material y se conseguiría una mayor
producción. Por lo tanto, la alternativa más adecuada para este proceso de fabricación
es diseñar un troquel progresivo. La mayoría de estos troqueles utilizan un alimentador
automático, pero en este caso la alimentación se realizará de forma manual, para lo
cual en el diseño se tendrán que tomar algunas consideraciones especiales para poder
garantizar la repetitividad dimensional de las piezas.
34
3.3.3. Selección del tipo de troquel progresivo
Según las operaciones que realizan, los troqueles progresivos se clasifican en:
• Matrices progresivas de corte
• Matrices progresivas de cortar y doblar
• Matrices progresivas de cortar y embutir
• Matrices progresivas mixtas
Para fabricar nuestra pieza, se tienen que realizar operaciones de estampado/acuñado,
corte y doblado por lo que se diseñará una matriz progresiva mixta.
Matriz progresiva mixta.
Las matrices progresivas mixtas llevan elementos cortantes que perfilan la pieza antes de
ser doblada, por lo que además de la dificultad propia de la operación de corte, habrá
que añadir estampado acuñado, doblado y los factores que de ello se deriven.
En las operaciones de doblado hechas con matriz progresiva, deberemos poner especial
atención en los siguientes puntos:
1. Centrar la banda mediante punzones piloto.
2. Prever un paso en vacío cuando existan doblados conflictivos.
3. Los doblados deberán tener salida para desplazarse posteriormente.
4. Cuidar que las fuerzas de doblado estén repartidas en la matriz.
5. Impedir el movimiento de la pieza durante su doblado.
6. Siempre que se pueda, hacer los doblados en sentido favorable a las fibras del
material.
7. Tener siempre en cuenta el factor de retorno del material.
8. Evitar los radios de doblado inferiores al espesor de la chapa.
Las partes de la pieza que vayan dobladas nunca deben presentar rayaduras o
laminaciones en su superficie, puesto que equivaldría a un adelgazamiento en el espesor
de la chapa, o un estiramiento excesivo del material que daría lugar a piezas con un
desarrollo erróneo en las partes dobladas. Para evitarlo, las caras de los punzones y la
35
placa matriz en contacto directo con la chapa deben estar cuidadosamente
rectificadas y pulidas impidiendo así el gripado de su superficie por las partículas de
material que quedan adheridas.
Una vez que se ha determinado el tipo de matriz progresiva que se utiliza para el
desarrollo de la pieza, lo que procede es describir las cuatro operaciones que estarán
involucradas en el proceso.
3.3.4 Operaciones involucradas en el proceso
1. Operación de estampado/acuñado.
En esta primera operación se realizará un estampado acuñado con una profundidad de
0.3mm en la superficie del álabe de forma rectangular con esquinas redondeadas, el
cual comprenderá la mayor parte de esta. En la figura 27 se puede observar a detalle la
operación.
2. Operación de punzonado y conformado simultaneo.
Con la finalidad de realizar el corte del contorno y el preformado para un doblez
posterior del álabe curvada se realizará el proceso de punzonado y conformado
simultaneo, este proceso también nos servirá para que la pieza no se desprenda de la
tira del material y se pueda trasladar a las operaciones subsecuentes. En la figura 28 se
muestra el corte parcial del contorno, la curvatura realizada con el mismo y el área que
no es desprendida de la tira de la chapa.
Figura 27: Operación de estampado / acuñado
36
3. Operación de doblado.
En esta tercera operación se realizará un doblado con una curvatura la cual
corresponderá a un radio de 12.5mm, el cual fue establecido en los parámetros de
diseño, en la figura 29 se puede observar la pieza después del proceso de doblado y se
hace énfasis en las áreas del álabe que no son desprendidas para poder seguir
realizando los procesos subsecuentes.
Figura 28: Operación punzonado y conformado simultaneo
Figura 29: Operación de doblado
37
4. Operación de cizallado.
En esta última operación se realiza el corte de los extremos con los cuales la pieza está
sujeta a la tira de chapa, en la figura 30 se muestra la pieza que se debe de obtener y
el área final que se cortara en esta operación sin tener deformaciones que afecten la
estructura del álabe.
3.3.5 Componentes del troquel progresivo
A continuación, se nombran los componentes que van a formar parte de la matriz
progresiva en la tabla 6 y más adelante se detallarán de forma exhaustiva:
Figura 30: Operación de Cizallado
38
Tabla 6: Componentes del troquel progresivo
N.º DE ELEMENTO NOMBRE DE LA PIEZA CANTIDAD
1 Placa base inferior 1
2 Placa base superior 1
3 Pisador de punzones 1
4 Matriz despuntador lateral derecho 1
5 Matriz despuntador lateral izquierdo 1
6 Placa guía de banda 1
7 Regla guía de banda paso 1
8 Regla guía de banda 1
9 Matriz de estampado acuñado contorno y paso 1
10 Placa porta matriz 1
11 Placa porta punzones 1
12 Punzón cóncavo para curvado 1
13 Punzón convexo para curvado 1
14 Punzón corte extremos 1
15 Punzón de paso 1
16 Punzón para acuñado 1
17 Punzón para estampado 1
18 Punzón de corte 316 2
19 Perno posicionador 6
20 Macho portapunzones 1
21 Poste de 1 12 x 10 2
22 Taza de 1 12 2
23 SHSSCREW 0.375x2-S 6
24 SBHCSCREW 0.25-20x0.5-HX-S 5
25 HX-SHCS 0.375-16x1.75x1.25-S 4
26 DPM 0.375x2.5 5
27 HX-SHCS 0.375-16x1.5x1.5-S 4
28 SHSSCREW 0.25x1.5-S 6
29 DPM 0.375x2 4
30 HX-SHCS 0.375-16x1x1-S 2
31 HX-SHCS 0.25-20x1.25x1.25-S 4
32 HX-SHCS 0.19-24x0.875x0.875-S 2
33 HX-SHCS 0.25-20x0.875x0.875-S 7
34 Resorte de 34 ext 38 int 1 6
35 Resorte de 25 ext 12 int 1 6
39
3.4 OPTIMIZACIÓN DE LA BANDA DE CHAPA
3.4.1 Distancia de separación entre piezas
La separación (S) que hay que dejar entre piezas deberá tener un valor mínimo que
garantice, por una parte, cierta rigidez de la tira de material, pues esta es condición
indispensable para el buen funcionamiento de una matriz progresiva. La deformación
de una tira de fleje por decaimiento o falta de rigidez, debido a una mínima separación
entre las piezas cortadas ocasiona problemas y continuos paros de máquina por
avances erróneos del fleje, que frecuentemente acaban provocando averías del
troquel. Además, la separación entre piezas deberá proveer suficiente material para el
corte correcto de las piezas, sin que la figura de una interfiera sobre la otra, pues éstas
saldrían incompletas y, por lo tanto, defectuosas. Del mismo modo, debe considerarse
que una separación excesiva influiría de manera negativa en los costes de material, pues
su desperdicio sería mayor.
La separación mínima entre piezas puede calcularse aplicando la siguiente fórmula:
(1) S= 1.5 X 𝑒
Don de 𝑒 es el grosor de la chapa.
Por lo que la separación mínima que habrá que dejar entre piezas será:
1.2 mm
3.4.2 Separación entre una pieza y el borde del fleje
La separación mínima entre una pieza y el borde del fleje se calcula de la misma manera
que la separación entre piezas por lo tanto tendremos 1.2 mm.
Determinación del paso
El paso (p) es la distancia que hay entre dos puntos homólogos de dos piezas situadas
de forma consecutiva sobre un fleje de una anchura que viene determinada por la pieza
40
a procesar. De ese modo, el valor del paso es la medida que avanza el fleje de material
dentro de la matriz, entre dos golpes o ciclos consecutivos de la prensa.
El paso de un fleje de material puede calcularse aplicando la fórmula:
P = S + a
Donde:
S = separación entre piezas (mm)
a = anchura de la pieza (mm)
P = 0 + 25mm
3.4.3 Rendimiento de la banda de chapa
Dado que el procedimiento del matrizado se destina a la fabricación de grandes
cantidades de piezas, la economía del material, y como consecuencia la reducción de
desperdicios representa un factor muy importante. Un mayor rendimiento se traduce en
un mayor beneficio económico y un menor consumo de recursos energéticos y materia
prima, esto debe de ser tomado en cuenta al momento de realizar el proyecto. El
rendimiento se puede calcular con el uso de la siguiente formula.
Rendimiento = 𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑖𝑒𝑧𝑎
𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒 𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑏𝑎𝑛𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑐ℎ𝑎𝑝𝑎 X 100
Se debe tener en cuenta que la superficie de la pieza se refiere a la superficie interior del
contorno de la pieza, es decir, no se tienen en cuenta los agujeros interiores.
3.4.4 Disposición de piezas sobre la banda de chapa
Uno de los aspectos más importantes a valorar en todo proceso productivo es el que
hace referencia a la materia prima necesaria para la fabricación del producto. En el
caso de la matricería estamos hablando de chapa metálica, debidamente cortada en
tiras o preparada en bobinas de una anchura determinada.
41
Los costes de material, donde se incluyen también su parte de desperdicio, inciden de
manera muy importante en el coste final de un producto. Así, siempre que la forma de
una pieza no presente grandes irregularidades, se considera un rendimiento óptimo de
utilización del material cuando este es aprovechado en un porcentaje cuyo valor oscila
en torno al 75% – 80%. Es importante tener en cuenta este detalle puesto que se puede
obtener un ahorro importante de material, especialmente si se trata de producir grandes
series o también, piezas de gran tamaño. La elección del formato de chapa, en plancha
o en bobina, y la disposición de las piezas a cortar permiten optimizar los costes de
material, repercutiendo notablemente en el coste final del producto.
Atendiendo a la forma geométrica de las piezas, existen varias disposiciones de éstas
sobre el fleje de material:
• Normal
• Oblicua
• Invertida
Y dependiendo de la cantidad de piezas a fabricar:
• Simple
• Múltiple
Frecuentemente, las piezas tienen una forma irregular, de manera que tanto pueden
estar situadas a lo largo de la tira de material, como trasversalmente, longitudinalmente
o en su propio centro.
Una vez realizado el estudio de la disposición de piezas para la fabricación del álabe
curvado se determinó no dejar ninguna separación entre álabe y álabe, solo se tendrá
esa separación en las partes laterales y esta será mayor a la mínima, atendiendo la forma
geométrica será dispuesta de forma normal y simple colocando la pieza de forma
transversal, tal y como se muestra en la figura 31.
42
Haciendo mención del cálculo del rendimiento óptimo de material y con el uso del
software de diseño solidworks se encontró que el área que se utiliza para la elaboración
del álabe curvada es de 3250 𝑚𝑚2 y el área total del material es de 4005 𝑚𝑚2. De esta
forma, se tiene un desperdicio o merma del 18.85%, que es menor considerando todo el
producto de rechazo que se obtiene con el proceso de elaboración actual. Esto nos
indica que tenemos un rendimiento de 83.6% el cual está dentro del rango óptimo.
3.5 ETAPAS DEL PROCESO DE FABRICACIÓN
La fabricación de la pieza consta de 5 etapas:
1. La banda de chapa se desliza sobre las guías, una vez que llega al tope del
punzón de paso, se realiza la primera operación que es de estampado acuñado,
en esta etapa se punzonan los dos agujeros de posicionamiento y un corte
rectangular que es el paso de la chapa.
2. En la segunda etapa se realiza la operación de punzonado y conformado
simultaneo, introduciendo antes de realizar el proceso los dos pilotos centradores,
que se encuentran posicionados en la placa porta punzones.
Figura 31: Disposición de piezas en banda de chapa
43
3. La tercera etapa es de descanso, en esta etapa no se le realiza ningún cambio
al material para evitar deformaciones, esto es debido a la poca distancia que
existe entre los elementos del troquel progresivo.
4. En la cuarta etapa se realiza la operación de curvado.
5. En la quinta y última operación se realiza el corte del contorno faltante con el cual
se encuentra unida la pieza a la chapa de metal. Estos faltantes están situados en
la parte lateral de la pieza.
En la figura 32 se muestran la vista alzada y frontal respectivamente del esquema de la
banda de la chapa con las 5 etapas.
3.6 DISEÑO DEL TROQUEL PROGRESIVO
Todos los elementos constructivos que forman parte de la matriz tienen que diseñarse
para que cumplan con el trabajo que deben realizar. Los materiales empleados para
Figura 32: Vista frontal y lateral de la banda de chapa con sus 5 operaciones
44
fabricar dichas piezas, así como los tratamientos térmicos y los acabados, son aspectos
muy importantes para tener en cuenta que deben tratarse con atención si de verdad
queremos obtener los mejores rendimientos a lo largo de la vida del utillaje.
En cuanto a los distintos elementos normalizados que con más frecuencia se utilizan en
la construcción de troqueles hay que prestarle especial atención en el momento de su
elección.
Los objetivos principales que deben de cumplir los componentes del troquel son:
1. Su correcto funcionamiento.
2. Que la durabilidad sea adecuada.
3. Que las piezas fabricadas sean de calidad.
Para que se cumplan estos objetivos hay que cumplir con:
a) Buen diseño del troquel
b) Buena construcción
c) Buenos materiales de construcción
d) Buenos tratamientos térmicos
e) Buen ajuste en el ensamble de los componentes
f) Buen mantenimiento
El troquel progresivo que se muestra en la figura 33 se compone de dos partes
principales: una fija, que se coloca en la mesa de la prensa y se fija con elementos de
sujeción, y la otra móvil, la cual se fija al cabezal de la máquina troqueladora.
La parte móvil de la matriz se desplaza 50 mm hasta que el pisador de punzones presiona
la banda de chapa, posteriormente se tiene un desplazamiento de 13mm más, que
comprime los resortes que se encuentra entre la placa guía de banda con el portamatriz
y el pisador de punzones con la placa portapunzones, para realizar el proceso de corte
y doblado de la chapa. Después, la parte móvil vuelve a su posición inicial para acabar
un ciclo y empezar otro.
45
3.6.1 Placa base inferior
La placa base inferior tiene la misión de soportar el utillaje, apoyarlo sobre la mesa de la
prensa y absorber los esfuerzos que se producen sobre la matriz durante el proceso de
trabajo.
Al igual que la placa base superior, la placa base inferior proviene del conjunto
Portatroquel rectangular de dos postes con número de catálogo 1410 2E de la empresa
CPACSA.
La placa base inferior es de acero ASTM A36 y tiene unas medidas de 14x12.5x1.75
pulgadas. Ya tiene realizados los agujeros de las 2 columnas que irán clavadas en la
placa. Sobre esta placa se tiene que mecanizar el perímetro de corte
sobredimensionado del punzón, ya que es por donde caerá la pieza terminada. Se
tendrán que realizar 4 agujeros roscados para colocar 4 tornillos HX-SHCS 0.375-
16x1.75x1.25-S con los cuales se unirá la placa porta matriz. Se taladrarán 5 agujeros 5/16
para ajustar 5 pasadores DPM 0.375x2.5. Además de 6 agujeros de 5/8 por los cuales se
Figura 33: Troquel progresivo
46
deslizarán los tornillos pernos SHSSCREW 0.375x2-S que sujetan la placa guía de banda.
La placa base inferior se muestra en la figura 34.
3.6.2 Placa base superior
La placa base superior constituye el soporte sobre el cual va colocada la placa porta
punzones mediante tornillos y pasadores, formando un único bloque con todos los
elementos de la parte móvil del utillaje. Lleva un agujero roscado para sujetar el utillaje,
mediante un vástago al cabezal de la prensa.
La placa base superior es de acero ASTM A36 y tiene las mismas medidas de la placa
base inferior. Ya tiene realizados los agujeros de los 2 casquillos con los que la placa será
guiada a través de las columnas guía.
Se tienen que taladrar 5 agujeros de 3/8 para ajustar 5 pasadores DPM 0.375x2, 6 agujeros
de 7/16 donde se alojará la cabeza de los tornillos perno SHSSCREW 0.25x1.5-S, 4 agujeros
para alojar 4 tornillos HX-SHCS 0.375-16x1.5x1.5-S. Se tiene que realizar 1 agujero roscado
1- 8 para vástago, el detalle se muestra en la figura 35.
Figura 34: Placa base inferior
47
Figura 35: Placa base superior
3.6.3 Placa porta punzones
La placa porta punzones es el componente del troquel que lleva alojados los punzones,
de forma que estos se desplazan solidarios a la placa según el movimiento rectilíneo
alternativo de trabajo que describe la máquina. Existen diversos métodos de anclaje y
posicionado de los punzones en la placa. Los principales condicionantes para tener en
cuenta al adoptar uno u otro sistema hacen referencia al tamaño y la forma de los
propios punzones, y a la práctica de un método que permita su rápido intercambio
acortando tiempos improductivos. La placa porta punzones es de acero AISI 1045 con
medidas de 6 ½ X 8 X 1 ¼ de grosor. Se realizarán cajas para alojar los punzones y con
esto lograr un mejor posicionamiento que servirá en el momento de realizar el ajuste
entre matriz y punzón. De los 7 punzones que se colocarán en la placa porta punzones,
5 de ellos se fijarán mediante tornillos de HX-SHCS 0.25-20x0.875x0.875-S, los 3 punzones
de corte y los 6 pernos de posición se fijarán mediante cabeza mecanizada. Se tienen
que taladrar 5 agujeros 5/16 para ajustar 5 pasadores DPM 0.375x2 y 4 agujeros con caja
para alojar tornillos HX-SHCS 0.375-16x1.5x1.5-S. Estos servirán para fijar la placa porta
punzones con la placa base superior. Se tienen que realizar 4 agujeros para tornillos
SHSSCREW 0.25x1.5-S, en los cuales se abrirá una caja circular de 1/2” en la cual se
alojaran los resortes modelo 9-0804-21 (CPACSA). Como se muestra en la figura 36.
48
Figura 36: Placa porta punzones
3.6.4 Placa porta matriz
La placa porta matriz es el elemento en el cual se alojan las matrices de los diferentes
procesos. Existen diversos métodos de anclaje y posicionado de las matrices en la placa.
Los principales condicionantes para tener en cuenta al adoptar uno u otro sistema
consideran el tamaño y la forma de las propias matrices, y la modularidad que permita
su rápido intercambio acortando tiempos improductivos. La placa porta matriz es de
acero AISI 1045 tiene unas medidas de 9 X 7 X 1 ½ de grosor. Se realizarán cajas para
alojar las matrices y con esto lograr un mejor posicionamiento que servirá en el momento
de realizar el ajuste entre matriz y punzón. De las 4 matrices que se colocaran en la placa,
3 se fijaran mediante tornillos de HX-SHCS 0.25-20x1.25x1.25-S y el restante con tornillos HX-
SHCS 0.375-16x1x1-S. Se tienen que taladrar 5 agujeros 5/16 para ajustar 5 pasadores DPM
0.375x2.5 y 4 agujeros con caja para alojar tornillos HX-SHCS 0.375-16x1.75x1.25-S, esto nos
servirán para fijar la placa porta matriz con la placa base inferior. Se tienen que realizar
6 agujeros para tornillos SHSSCREW 0.375x2-S, en los cuales se abrirá una caja circular de
3/4” en la cual se alojaran los resortes modelo 9-1264-21 (CPACSA). Esta se muestra en la
figura 37.
49
Figura 37: Placa porta matriz
3.6.5 Guía de banda
Las guías de banda consisten en dos reglas prismáticas, cuyo espesor es ligeramente
superior al del fleje a matrizar. Estas reglas van enclavijadas paralelas entre sí con la
finalidad de guiar longitudinal y transversalmente la tira de chapa en su desplazamiento
por el interior de la matriz, en este caso la chapa tiene que estar situada 7.5 mm por
encima de la misma, permitiendo el libre desplazamiento una vez que se realizan los
diferentes procesos para lo cual se anexa una placa guía de banda que estará
soportada por 4 resortes que serán accionados al momento de descender la parte móvil
de la matriz. La placa guía de banda y las dos guías son de acero AISI 1045 y tienen unas
medidas de 7 ¼ X 9 X ½ y 7 ¼ X1.600 X 3/16, respectivamente. La placa guía de banda
cuenta con un chaflán de 30º por el lado que entra la banda de chapa para facilitar la
entrada de esta y su perfil tiene la forma adecuada para que no pueda salirse el fleje
50
de material. En ambas guías se tienen que taladrar 3 y 2 agujeros de 3/16 para colocar
tornillos SBHCSCREW 0.25-20x0.5-HX-S. En cuanto a la placa guía de banda se le
realizarán 6 barrenos roscados para tornillos SHSSCREW 0.375x2-S y 5 más para tornillo
SBHCSCREW 0.25-20x0.5-HX-S los cuales unirán a esta con las guías de banda.
Se han de someter la placa y guías de banda a un tratamiento térmico de temple y
revenido para que obtenga una dureza 48-50 HRc. Las placas guía se muestran en la
figura 38.
Figura 38: Placas guía de banda
3.6.6 Placa pisadora
La placa pisadora tiene la función de guiar los punzones y facilitar la extracción de la
chapa, así como la de mantener la chapa plana y sujeta durante su transformación.
Con estas 3 premisas se evita el pandeo de los punzones y las ondulaciones de la banda
de chapa. El pisado de la chapa se realiza gracias a los resortes situados entre la placa
porta punzones y la placa pisadora. Al bajar la parte móvil del utillaje, la placa pisadora
cede y sujeta la chapa mientras trabajan los punzones. En el instante en que el cabezal
inicia su carrera de ascenso, la placa pisadora deja de hacer presión sobre la chapa,
liberándola hasta que se produce el siguiente ciclo. La placa pisadora es de acero AISI
1045 y tiene unas medidas de 6 ½ X 5 ¾ X 3/8. Se tienen que mecanizar los perímetros de
corte, se tienen que realizar 6 barrenos roscados para 6 tornillos SHSSCREW 0.25x1.5-S que
51
unen la placa pisadora con la placa porta punzones. Los detalles se muestran en la figura
39.
Figura 39: Placa pisadora
3.6.7 Punzones
Los punzones son los principales elementos activos de un utillaje. Su misión consiste en
cortar la chapa según la sección de su plano de trabajo, que, generalmente se
corresponde con la figura o forma que se desea obtener.
Para lograr el trabajo óptimo de los punzones, es preciso que sus extremos estén
perfectamente afilados, sin melladuras ni cantos redondeados.
En la matriz diseñada hay 7 punzones distintos, 4 de corte, 1 de estampado acuñado y 1
de doblado. Todos los punzones, son de acero AISI O1 a excepción del punzón para
estampado que es de acero AISI S1, todos ellos de longitudes variables con tratamiento
de temple y revenido para obtener una dureza 62-64 HRc y 50-58 HRc, respectivamente.
En los siguientes apartados se describen las características de cada punzón.
52
PUNZÓN DE POSICIONAMIENTO
Hay dos punzones de posicionamiento que recortan un agujero de 3/16” cada uno, con
la finalidad de que en el siguiente paso los pilotos centradores centren la chapa gracias
a esos agujeros hechos previamente.
Esta cuenta con una cabeza mecanizada con la cual se posiciona en la placa porta
punzones. Se representa en la figura 40.
Figura 40: Punzón de posicionamiento
PUNZÓN PARA ESTAMPADO
Este punzón realiza un estampado rectangular con una profundidad de .30mm.
Se realizan dos barrenos ciegos roscados para sujetar a la placa porta punzones con
tornillos HX-SHCS 0.25-20x0.875x0.875-S, además de estos dos tornillos en la placa porta
punzones se mecaniza una caja con el perímetro del punzón de profundidad de 12.7mm
y ajuste deslizante para asegurar el posicionamiento del punzón con respecto a su matriz.
Esta se representa en la figura 41.
53
Figura 41: Punzón de estampado
PUNZÓN DE ACUÑADO
Este punzón tiene una doble función: un corte parcial del contorno de la pieza (sólo se
dejarán marcados con el corte los extremos de la misma para poder trasladarla a
operaciones subsecuentes) y un conformado que se da de manera simultánea
obteniendo una curvatura de radio 30.80mm. Se muestra en la figura 42 el detalle del
punzón.
Se realizarán dos barrenos ciegos roscados para tornillo HX-SHCS 0.25-20x0.875x0.875-S los
cuales sujetarán el punzón con la placa porta punzones además de estar localizada
mediante una caja con el contorno de esta y una profundidad de 12.7mm que nos
ayudara al centrado entre el punzón y la matriz.
54
PUNZÓN DE DOBLADO/CURVADO CONVEXO
Este punzón tiene como objeto realizar un curvado en la pieza de radio 13.3mm en el
exterior y 12.5mm en su interior, con una recuperación elástica del material mínima. Al
realizar el curvado, el punzón, trabaja en la superficie de la pieza y como se había
mencionado anteriormente el agarre de la pieza a la tira de chapa es por los extremos
en los cuales se encuentra solo corte parcial dejando solamente la zona marcada por
el punzón de corte anterior. Se le ha de realizar dos barrenos ciegos roscados para que
quede atornillado a la placa porta punzones mediante tornillos HX-SHCS 0.25-
20x0.875x0.875-S. El punzón se muestra en la figura 43.
Figura 43: Punzón de doblado curvo convexo
Figura 42 Punzón de acuñado
55
PUNZÓN DE CORTE
Este punzón realiza el paso final del proceso de fabricación, que consiste en cortar
ambos extremos de la pieza para separarla de la tira de la chapa. Se le han de realizar
dos barrenos ciegos roscados para que quede atornillado a la placa porta punzones
mediante tornillos HX-SHCS 0.19-24x0.875x0.875-S. En la figura 44 se muestra el detalle.
Pernos de posicionamiento
Los pernos de posicionamiento tienen la finalidad de mantener la tira de chapa alineada
de forma vertical y horizontalmente, con el objetivo de que el proceso sea repetitivo en
la fabricación de las piezas, estos pernos son introducidos en los barrenos que con
anterioridad fueron realizados por el punzón de posicionamiento. Los pernos se accionan
en el momento que realiza el descenso de la parte móvil del troquel, pero instantes antes
de que todos los punzones realicen su trabajo.
Se mecanizará la cabeza de forma que pueda ser alojado en la placa porta punzones.
El detalle se puede ver en la figura 45.
Figura 44: Punzón de corte lateral
56
Figura 45: Perno de posicionamiento
PUNZÓN DE PASO
El punzón de paso tiene por objetivo mantener la posición correcta de la tira chapa
entre corte de piezas, en este caso el corte del paso del troquel se realiza con un punzón
rectangular de paso 25mm por la parte exterior de la tira, tomando en cuenta la
distribución y la forma, con la finalidad de obtener piezas perfectas dentro de las
estrechas tolerancias. El detalle se muestra en la figura 46.
Para la sujeción con la placa porta punzones se le deberá de realizar un barreno ciego
roscado para tornillo HX-SHCS 0.25-20x0.875x0.875-S. Al igual que los punzones anteriores
se mecanizará una caja de profundidad de 12.7mm con el perímetro del punzón para
asegurar su posición con respecto a la matriz.
Figura 46: Punzón de paso
57
PUNZÓN CÓNCAVO PARA CURVADO
El punzón cóncavo para curvado tiene la particularidad de ser la contra en donde
descansa la pieza realizando un curvado de 12.5mm en su interior, con una
recuperación elástica mínima.
Se sujetará a la placa porta matrices realizando dos barrenos ciegos con cuerda para
tornillos HX-SHCS 0.25-20x1.25x1.25-S, como se muestra en la figura 47, además de realizar
una caja con profundidad de 12.7mm con el perímetro de la misma para asegurar el
posicionamiento con respecto al punzón que se encuentra en la parte móvil.
Figura 47: Punzón cóncavo para curvado
3.6.8 Matrices
Junto con los punzones, las matrices son la parte más importante de un utillaje. Una matriz
está provista de una serie de agujeros cuya forma y situación sobre la placa se
corresponden con la de los punzones. El plano superior de la placa es la parte activa del
troquel, por lo que siempre debe estar perfectamente rectificada y sin melladuras, pues
de ello depende la fabricación de un producto en óptimas condiciones.
Para la fabricación de las piezas se ha determinado tener 3 matrices de corte y un
punzón el cual es el que sirve de contra en el proceso de curvado, las 3 matrices de
58
cortes serán en acero AISI O1, con una altura de 30mm y el punzón en acero AISI S1.
Todos estos elementos se han de someter a temple y revenido para obtener una dureza
62-64 HRc y 50-58 HRc, respectivamente.
Se tiene que rectificar el plano superior y las aristas formadas entre el plano superior de
la placa y el perímetro de corte estas siempre deben estar perfectamente afiladas. Los
agujeros de los perímetros de corte de las matrices que realizan el corte final, tienen 5mm
de vida y posterior a esa un desfase de 0.2mm para la liberación de la pieza final.
En los siguientes apartados se describen las características de cada una de las matrices.
MATRIZ DE ESTAMPADO ACUÑADO, CONTORNO Y PASO
Esta matriz realiza 3 cortes, 1 estampado y el acuñado de conformado de la pieza. Al
descender la parte móvil del troquel, el perímetro en el cual se realiza el acuñado no
cuenta con salida de material porque este se encuentra unido aun a la tira de chapa,
pero en el perímetro del paso y los barrenos para posicionamiento si existen 5mm de vida
y posterior a esos van 0.2mm de corte desfasado para liberación de material. La matriz
se sujetará a la placa porta matriz realizando dos barrenos ciegos roscados para tornillo
HX-SHCS 0.375-16x1x1-S además de estar posicionada con una caja de 12.7mm de
profundidad con el perímetro de la matriz como se muestra en la figura 48.
Figura 48: Matriz de estampado acuñado, contorno y paso
59
MATRIZ DE DESPUNTADOR DE EXTREMOS
Son dos elementos los cuales están situados en los extremos de la placa porta matrices,
y su objetivo es realizar los cortes de la parte que mantiene atada la pieza a la tira de
chapa sin deformarla. El detalle se muestra en la figura 49. Se sujetarán mediante un
tornillo HX-SHCS 0.25-20x1.25x1.25-S para lo cual se debe de realizar un barreno ciego
con cuerda. Para un mejor posicionamiento se realizará una caja con el perímetro de la
matriz y una profundidad de 12.7mm
Figura 49: Matriz despuntador extremos
3.7 ELEMENTOS NORMALIZADOS
La utilización de elementos normalizados en el diseño de troqueles progresivos
representa una simplificación en cuanto a disponibilidad y almacenaje de las
herramientas de trabajo, con su consiguiente ahorro económico. En cuanto al
mantenimiento de los utillajes, el uso de elementos normalizados reduce
significativamente los costes y minimiza de forma considerable los tiempos muertos de
máquina, pudiéndose prever el aprovisionamiento de recambios cuando todavía está
en funcionamiento la línea de producción. Además del porta troquel, hay otros
elementos normalizados que se han utilizado para el diseño de la matriz progresiva y que
se comentan en los siguientes apartados.
60
3.7.1Poste guía
Los postes guía son piezas cilíndricas que forman parte del sistema de guiado y alineado
de un utillaje. De dimensiones robustas, estos elementos aseguran una perfecta
alineación de la parte móvil respecto a la parte fija del utillaje. Las columnas estarán
clavadas en la placa base inferior. Se necesitan 2 columnas de longitud 10” con un Ø
de 1”1/2. Las columnas escogidas para el diseño de la matriz son del tipo poste guía para
fricción y sistemas embalados de la empresa CPACSA, con número de parte 5-0840-5.
3.7.2 Bujes guía
Al igual que los postes guía, los bujes guía son piezas cilíndricas que forman parte del
sistema de guiado y alineado de un utillaje. Se necesitan 2 casquillos guía, que van
clavados en la placa base superior.
De los bujes escogidos son del tipo buje desmontable hombro normal en acero de la
empresa CPACSA, con número de parte 6-12-64.
3.7.3 Resortes
Los resortes utilizados en matricería son de tipo helicoidal, trabajan a compresión y tienen
su principal aplicación en las matrices dotadas de sistema elástico para pisado de la
chapa. También se utilizan para trabajos de extracción.
Después de los cálculos realizados, los resortes escogidos son 6 resortes de carga media,
con número de catálogo 9-0804-2 y una deformación máxima permisible de 37% y otros
6 resortes de carga media, con número de catálogo 9-1204-21, con la misma
deformación máxima permisible que los anteriores.
61
3.7.4 Tornillo guía
Los tornillos guía son unos tornillos que se utilizan como guía de los elementos elásticos de
las matrices con pisador para reducir la torcedura de los muelles durante su flexión. A la
vez, cuando la matriz está abierta, son los elementos responsables de mantener la parte
móvil del utillaje formando un solo bloque.
Se necesitan 12 tornillos guía, que serán 6 con número TG-37-200 y 6 TG-25-150 de la
empresa CPACSA.
Estos tornillos guía son de acero aleado y tienen una dureza de 45-53 HRc.
3.7.5 Tornillos
Los elementos de fijación que normalmente se utilizan en matricería son tornillos de rosca
métrica o estándar de cabeza cilíndrica allen, aunque en ocasiones, y por el mínimo
espesor de los elementos a sujetar, se utilizan también tornillos allen de cabeza cilíndrica
de altura reducida, o tornillos allen de cabeza cónica. Se utilizarán 23 tornillos ASTM A-
574, (4 0.375-16x1.75x1.25-S, 4 0.375-16x1.5x1.5-S, 2 0.375-16x1x1-S, 4 0.25-20x1.25x1.25-S, 7
0.25-20x0.875x0.875-S y 2 0.19-24x.0875x0.875-S) de la empresa grupo CN.
Estos tornillos son de acero aleado y tienen una dureza de 39-45 HRc.
3.7.6 Pasadores
Los pasadores son unas columnillas cilíndricas que tienen como misión posicionar los
distintos elementos sobre los que van montados, dentro de un agujero escariado y
ajustados a presión. Se utilizarán 10 pasadores (5 Ø 0.375x2.5 y 5 Ø 0.375x2) de acero
aleado indeformable templado con dureza 60±2 HRc de la empresa CPACSA.
3.8 CÁLCULO DE PARÁMETROS
En los siguientes apartados se encuentran los resultados más importantes para el
proyecto, se complementarán con los fundamentos para una mejor comprensión.
62
3.8.1 Descripción de un proceso de corte
El proceso de corte consiste en la separación, mediante punzón y matriz de una parte
del material a lo largo de una línea definida por el perímetro de ambos elementos.
1. Una vez montado el troquel progresivo en la prensa y estando en su posición
de reposo o punto muerto superior, la chapa a cortar se coloca dentro de la guía de
banda. (Figura 50 a).
2. Al accionar la máquina, el cabezal inicia su carrera de descenso y el pisador
ejerce la presión necesaria para sujetar la chapa junto con la guía de banda mientras
dure el proceso. (Figura 50 b).
3. Instantes antes de que el cabezal de la prensa alcance el final de su recorrido,
el punzón presión la chapa y ejerce un esfuerzo capaz de seccionar limpiamente las
fibras del material. (Figura 50 c).
4. Cuando la prensa ha llegado a su punto muerto inferior el punzón se halla
alojado dentro de la matriz, habiendo cortado la chapa. (Figura 50 d).
5. En la última fase del proceso el cabezal de la prensa vuelve a su posición inicial,
liberando la chapa y extrayendo el recorte de material adherido al punzón en el preciso
instante en que éste se esconde en el pisador. (Figura 50 e).
6. Al llegar a la posición de reposo, la prensa está lista para iniciar un nuevo ciclo.
(Figura 50 f).
63
Figura 50: Descripción del proceso de troquelado
3.8.2 Fenómenos que se manifiestan durante el corte de la chapa
En el transcurso de un procedimiento de corte el material a procesar permanece
estático, aunque deben tenerse en cuenta los cambios físicos que se producen en la
chapa, pues de ello depende el resultado final del proceso.
1. El punzón incide sobre la chapa imprimiendo un esfuerzo perpendicular al sentido de
las fibras del material (figura 51: secuencia 1).
64
2. Al continuar presionando, se produce un endurecimiento del material en la zona de
corte por efecto de la compactación del material cercano a los filos de corte del punzón
y la matriz (figura 51: secuencia 2).
3. Las fibras continúan siendo comprimidas y la rotura del material se produce una vez
que el punzón ha penetrado en aproximadamente un tercio del espesor de la chapa.
En este instante las fibras están seccionadas, pero la chapa continúa formando una
única masa (figura 51: secuencia 3).
4. El punzón atraviesa el material en todo su espesor, momento en el que se separa
completamente la porción de chapa comprimida entre los filos del punzón y la matriz
(figura 51: secuencia 4).
Secuencia 1 Secuencia 2
Secuencia 4 Secuencia 3
Figura 51: Secuencias que se manifiestan durante el corte de chapa
65
3.8.3 Efectos producidos en la pieza por el corte de la chapa
Las piezas correctamente cortadas presentan en su pared de corte, sea cual fuere su
espesor, una franja laminada o brillante de una anchura equivalente aproximadamente
a un tercio del mismo espesor de material a cortar. Esta franja aparece en la cara
opuesta a las rebabas de la pieza como consecuencia del rozamiento generado por la
penetración del material en la matriz o bien por el rozamiento producido por la
penetración del punzón en el material, según sea la operación de corte o de
punzonado. La franja brillante o laminada se manifiesta hasta el punto donde se
produce la rotura de las fibras del material. En los dos tercios restantes de la pared del
material, se produce una zona rugosa debida a la rotura o desgarro de éste, formándose
un ángulo ficticio con respecto a la pared de corte de entre 1º y 6º, una vez que fueron
seccionadas las fibras del material. En esta zona rugosa y por efecto de la rotura, la
medida nominal de la pieza matrizada suele ser menor (alrededor de un 5% del espesor),
oscilando sus valores entre unas pocas centésimas y varias décimas de milímetro. Estos
efectos se muestran en la figura 52.
Figura 52: efectos producidos en el proceso de punzonado
3.8.4 Dimensiones de las piezas troqueladas
El diámetro máximo que puede troquelarse en una chapa viene únicamente limitado
por la potencia y dimensiones de la prensa en que ha de realizarse la operación. En
cambio, el diámetro mínimo depende del material y espesor de la chapa. El diámetro
66
mínimo que puede troquelarse en una chapa de acero al carbono dulce viene dado
aproximadamente por:
Dmin= 0.8 x e
Dónde: e = espesor de la chapa (.8 mm)
Se substituye el espesor en la ecuación y se obtiene:
Dmin=.064mm
3.8.5 Fuerzas producidas en el corte de la chapa
El corte de una chapa se produce mediante la fuerza generada por la prensa sobre una
matriz o útil de trabajo. En consecuencia, para llevar a buen término el desarrollo de un
proceso de matrizado, es imprescindible conocer desde un principio todas las
componentes que intervienen en dicho proceso. Los esfuerzos para considerar
generados por el corte de la chapa son:
• Fuerza de corte
• Fuerza de extracción
• Fuerza de expulsión
FUERZA DE CORTE
Se llama así al esfuerzo necesario para lograr separar una porción de material de una
pieza de chapa, mediante su cizalladura. La fuerza necesaria para cortar una pieza de
chapa depende del material a cortar, de las dimensiones de este corte y del espesor de
la chapa:
𝐹𝑐= σc x P x e
Donde:
σc = resistencia a la cizalladura acero ASTM A36, con 0.2 % de C (32 kg/mm2; 314 N/mm2)
P = perímetro del punzón
67
e = espesor de la chapa (0.8 mm)
Habrá que calcular la fuerza de corte que necesita cada punzón:
a) Punzón de posicionamiento:
𝐹𝑐= (32 kg/mm2 X 15 mm X 0.8mm)/1000 =.39 Ton
Como hay dos punzones de posicionamiento:
𝐹𝑐= .78 Ton
b) Punzón acuñado:
𝐹𝑐= (32 kg/mm2 X 321.50mm X 0.8mm)/1000 = 8.23 Ton
Tomando en cuenta que el corte de este punzón no es en la totalidad de su superficie,
dado que no se tiene separación entre piezas y que el punzón realiza el corte por
cizallado con lo cual puede reducir hasta un 64% la presión requerida para el corte, solo
contemplaremos el 45% de la fuerza necesaria para realizar esta operación, la cual será
de 3.70 Ton.
c) Punzón de paso:
𝐹𝑐= (32 kg/mm2 X 70mm X 0.8mm)/1000 = 1.8 Ton
Como el corte que realiza el punzón de paso no es en la totalidad de su superficie, solo
se contemplara el 55% de la fuerza requerida. Por lo tanto, será de 1Ton.
d) Punzón corte de corte de extremo:
𝐹𝑐= (32 kg/mm2 X 18mm X 0.8mm)/1000 = .46 Ton
El corte es por ambos extremos de la pieza por lo tanta tenemos dos veces esta fuerza:
68
𝐹𝑐= .92 Ton
La fuerza de corte total será la suma de las fuerzas de corte de cada punzón:
𝐹𝑐 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙= 6.4Ton
FUERZA DE EXTRACCIÓN
Se llama así al esfuerzo que se requiere para separar los punzones del trozo de chapa
adherida a estos, una vez que ha sido efectuado el corte. La fuerza de extracción
depende de la naturaleza del material a cortar, de su espesor, de la forma de la figura
y del material circundante a su perímetro de corte. La fuerza de extracción se puede
aproximar a un 10% de la fuerza de corte. En este caso tenemos dos fuerzas de
extracción la del pisador y la de la placa guía, la cual suspende la chapa para su
recorrido por los procesos, por lo tanto, se tomará el 20% de la fuerza de corte.
𝐹𝑒𝑥𝑡 = 6.4 Ton *.20=1.28Ton
FUERZA DE EXPULSIÓN
Al finalizar un proceso de corte, la pieza recién cortada tiene tendencia, por expansión
o por rozamiento, a quedarse adherida en el interior de la matriz. Este hecho se produce
mientras que la pieza no traspasa la vida de la matriz, puesto que esta zona no tiene
inclinación ninguna. Al producirse el corte siguiente, la última pieza cortada empujará a
la anterior, obligando a ésta a bajar por el interior de la matriz. Y así sucesivamente hasta
que la primera pieza caiga por gravedad, ante la imposibilidad de quedarse adherida
a la vida de la matriz. Esta adherencia o rozamiento de las piezas en el interior de la
matriz representa un esfuerzo adicional para tener en cuenta, que llamaremos fuerza de
expulsión y que debe calcularse sobre un 1,5% del valor de la fuerza de corte:
𝐹𝑒𝑥𝑝 = 6.92Ton *.015 = .096 Ton
69
3.8.6 Tolerancia de corte
La tolerancia de corte de una matriz es la holgura que se deja entre punzón y matriz de
un mismo perfil, con el objetivo de aliviar la expansión del material, producida por efecto
de la presión de los elementos cortantes sobre la chapa. En un proceso de corte sólo
pueden producirse piezas de calidad aplicando correctamente los valores de tolerancia
entre el punzón y la matriz.
Además, aparte del resultado final del producto fabricado, las herramientas de corte
pueden sufrir desgastes prematuros o roturas por la nula o incorrecta aplicación de la
tolerancia. Una tolerancia de corte demasiado grande permite una fluencia excesiva
de la chapa entre el punzón y la matriz, de tal forma que no existe la compactación
necesaria de las fibras para que se produzca su rotura. Así, las piezas aparecen con un
perfil poco definido, con notables rebabas y pequeños desprendimientos de material
(figura 53). Esas partículas metálicas acaban incrustadas alrededor de la arista de corte
del punzón y la matriz, provocando melladuras e incluso la rotura de las herramientas
cortantes.
Figura 53: Aplicación de una tolerancia de corte excesiva.
Una tolerancia nula o insuficiente impide la expansión del material presionado entre el
punzón y la matriz (figura 54). De este modo, las piezas matrizadas suelen presentar una
excesiva laminación de la pared de corte. Además, por la falta de fluencia de la chapa
y el aumento de presión de los elementos de corte se generan fuerzas de sentido radial
sobre las herramientas, hecho que suele acabar con la rotura de éstas.
70
Figura 54: Aplicación de una tolerancia de corte insuficiente.
La aplicación correcta de los valores de tolerancia permite conseguir piezas de perfil
perfectamente definido y sin rebabas (figura 55). Los esfuerzos producidos en una matriz
con una tolerancia de corte correcta no generan desprendimientos de material ni
incrustaciones por la expansión del material. La presión del material que se produce
sobre las paredes de corte es la adecuada, sin sobreesfuerzos por excesiva laminadura
ni holguras inapropiadas o demasiado acusadas.
Figura 55: Aplicación correcta de la tolerancia de corte
La holgura que se tiene que dejar entre punzón y la matriz de un mismo perfil depende
de la resistencia al corte del material de la chapa, y del espesor (ver tabla 7).
Tabla 7: Factor de tolerancia en función de la resistencia al corte.
71
La resistencia al corte de la chapa es de 32 kg/mm2, por lo que la tolerancia de corte
se calculará:
𝑇𝑐 =0.05 X e
El espesor de la chapa es de .8 mm, así que sustituyendo valores tenemos
𝑇𝑐 =0.05 x 0.8mm = 0.04mm
La tolerancia se aplicará en el punzón o en la matriz dependiendo del tipo de corte a
efectuar sobre la chapa.
Si se trata de cortar el perímetro exterior de una pieza, la matriz deberá tener la medida
nominal. Así, habrá que restar el valor de la tolerancia al punzón y éste será más pequeño
que la medida de la pieza. Si se desea hacer un punzonado interior, el punzón tendrá la
medida nominal y a la matriz deberemos sumarle el valor de la tolerancia, en el caso de
nuestra pieza lo que necesitamos cortar es el perímetro exterior por lo tanto se tiene que
dejar la matriz a la medida requerida y le disminuiremos 0.04mm al punzón.
3.8.7 Descripción del proceso de doblado
1. El punzón y la parte móvil de la matriz permanecen estáticos en el punto muerto
superior, mientras que en la parte inferior se posiciona una chapa plana lista para ser
doblada (figura 56 1ª secuencia).
72
2. El punzón inicia la carrera de descenso, hasta hacer contacto con la chapa e iniciar
el doblado de esta (figura 56 2ª secuencia).
3. Al final de la carrera de descenso el punzón alcanza el punto muerto inferior, y la pieza
queda doblada (56 3ª secuencia).
4. Después del doblado, la parte superior de la matriz retrocede hasta alcanzar el punto
muerto superior, mientras que el extractor inferior saca la pieza fuera de la boca de la
matriz. En ese momento el ciclo de trabajo ha finalizado y la matriz está preparada para
doblar una nueva pieza (56 4ª secuencia).
Fenómenos producidos en la pieza por el doblado de la chapa
Estiramiento de las fibras: Además de la deformación propia del proceso, el doblado de
una chapa metálica genera en la arista producida un pequeño desplazamiento
molecular, que se traduce, esencialmente, en una compresión del material en torno al
Figura 56: Descripción del proceso de doblado
1ª 2ª
3ª 4ª
73
perímetro interior de la sección de la chapa y simultáneamente, en un estiramiento de
las fibras del material en el perímetro exterior de dicha sección.
La naturaleza del material y sus características mecánicas, así como su espesor, el valor
del radio de arista y el ángulo de doblado, son los principales condicionantes del
desplazamiento molecular a que se verá sometida la pieza a doblar (figura 57).
Figura 57: Desplazamiento molecular.
El adelgazamiento en la arista de una chapa doblada puede llegar a ser, en algunos
casos, de hasta un 50% del espesor original. En los procesos en que los adelgazamientos
en arista superen estos valores, existe el riesgo de sufrir la rotura de las fibras, con su
consiguiente pérdida de resistencia, e incluso el seccionado del propio material.
Según lo expuesto anteriormente, se desprende que deberá rechazarse siempre que se
pueda, el doblado en arista viva o de radio menor al espesor del material a doblar. En
nuestro caso, el radio de doblado o curvado de la pieza es grande por lo cual no se
tendrá ningún problema.
74
Determinación de la fibra neutra
Basándonos en el hecho que una pieza doblada se obtiene a partir de una geometría
plana, se puede afirmar que, si en un proceso de doblado no existiera desplazamiento
molecular una vez deformada la pieza, ésta podría ser aplanada de nuevo y recuperar
su longitud primitiva. No obstante, cabe recordar uno de los fenómenos más comunes
que se producen en los procesos de doblado: el estiramiento y compresión de las fibras
de material en la zona deformada (figura 58), fruto de los esfuerzos de presión y de
rozamiento generados por los elementos activos del utillaje sobre la chapa. Dicho efecto
es el responsable de que la longitud primitiva de la pieza plana no se corresponda,
finalmente, con la longitud de la pieza doblada.
Figura 58 Detalle del comportamiento de las fibras de material en un proceso de doblado.
En cualquier caso, en todos los materiales, existe una línea imaginaria sobre la cual estos
desplazamientos moleculares no afectan en modo alguno al desarrollo de la pieza a
doblar. Es decir, que no se produce estiramiento ni compresión alguna en sus fibras. Esta
línea imaginaria es paralela a los planos que definen el espesor de la chapa y recibe el
nombre de línea de fibra neutra.
Se puede calcular la posición de la línea de fibra neutra en función de la relación radio
de doblado – espesor (ver tabla 8).
75
Tabla 8: Posición de la línea de fibra neutra en función de r/e.
En nuestro caso, el radio de doblado es de 12.5 mm y el espesor de la chapa es de .8
mm, por lo que la relación entre ellos será:
r/e = 12.5mm/0.8mm = 15.625
Observando la tabla 8, podemos notar que estamos fuera del rango de relación por lo
tanto la fibra neutra para nuestra pieza será .50, por lo tanto, si tenemos una chapa de
grosor 0.8mm la fibra neutra estará posicionada en 0.4mm.
Cálculo de la longitud inicial de la pieza
Una vez se determina la posición de la línea de fibra neutra y se conocen las cotas de la
pieza, se puede calcular la longitud inicial de la pieza antes del doblado, esto lo
obtendremos con la tabla que determina la longitud de arco y la siguiente formula.
R+Y=R’(total)
Donde
R= radio
Y= posición de la fibra neutra
Realizando la sustitución tenemos
R’= 12.1mm +0.4mm = 12.5mm
76
Y el ángulo de doblez de la pieza es de 114.59° y buscando el valor en la tabla de
longitudes de arco el valor de este es = 2, por lo que al hacer la operación para
determinar la longitud de la chapa tenemos que la longitud es de 25mm, tal y como se
diseñó.
Ángulo de doblado
Una de las principales propiedades mecánicas de los metales es la elasticidad, en virtud
de la cual un material metálico experimenta una deformación cuando actúa sobre el
mismo una determinada fuerza. Si la carga no sobrepasa el límite elástico del material,
recuperará su forma primitiva en el momento en que cese el esfuerzo aplicado.
Contrariamente, y en caso de que el límite elástico sea superado, el material entrará en
una fase de deformación plástica según la cual la deformación conseguida
permanecerá, aunque la fuerza deje de actuar sobre el material.
De todos modos, y aun teniendo en cuenta la deformación plástica adquirida, existe
siempre un remanente elástico por el que cualquier pieza sometida a un proceso de
doblado tiene tendencia a recuperar ligeramente su forma original (figura 59).
Figura 59: Representación gráfica del ángulo real a obtener y del ángulo
Teórico a doblar en un proceso típico de doblado
La recuperación elástica de una chapa vendrá condicionada por la clase de material
utilizado y por su índice de acritud, que puede variar entre recocido y crudo.
77
Otros factores que condicionan la recuperación elástica de una chapa son su espesor,
su radio de doblado y el valor del ángulo de doblado.
Para calcular el ángulo de doblado primero hay que encontrar el factor X, que depende
del radio de curvatura del doblado y del espesor del material:
Para X=15.625 y una resistencia de 32kg/mm2, se obtiene de la tabla 9, un factor k de 1:
Tabla 9: Estimación del factor k
El ángulo de doblado se obtiene con la siguiente fórmula:
𝐴𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑜𝑏𝑙𝑎𝑑𝑜 =𝐴𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒𝑐𝑒𝑎𝑑𝑜
𝐾
El ángulo deseado en la pieza es de 114.59° y el factor k es 1, por lo que no tendremos
un remanente elástico.
Holgura entre punzón y matriz en el proceso de doblado
El desarrollo de un proceso de doblado genera fuertes rozamientos sobre la superficie
de las partes activas de los utillajes, fruto de los esfuerzos necesarios para el conformado
de la chapa, de su deslizamiento entre los elementos activos y del desplazamiento
molecular a que se ve sometido el material durante su deformación. Por esta razón, es
preciso disponer de un espacio suficiente entre el punzón y la matriz que permita el paso
del espesor de material y que facilite su fluencia, de modo que quede garantizada la
ausencia de gripajes o agarrotamientos, cuya consecuencia final podría ser la
producción de piezas defectuosas o, en el peor de los casos, la avería de los utillajes. Los
valores adoptados para el cálculo de la holgura entre el punzón y la matriz de un útil se
78
estiman alrededor de un 10% del espesor de la chapa a doblar, con lo cual, teniendo en
cuenta el espesor de la misma chapa, en este caso como solo se realizará el curvado,
no hay partes entre los utillajes que debamos de considerar esta tolerancia.
Fuerza de doblado
Cuando una lámina metálica se coloca sobre una matriz de doblar, se comporta en
muchos casos, como un sólido que se encuentra apoyado en sus extremos y al cual se
le aplica una carga en el centro. Los esfuerzos pueden determinarse por las fórmulas
normales de resistencia de materiales, en este caso que es el más simple podemos
aplicar la formula.
𝑃 =2 ∙ 𝜎𝑑 ∙ 𝑏 ∙ 𝑠2
3 ∙ 𝑙
En la cual la notación es:
P = esfuerzo total en Kg, necesarios para el doblado;
𝜎𝑑 = solicitación a la flexión en 𝐾𝑔/𝑚𝑚2, necesaria para la deformación permanente y
para el prensado en el fondo; 𝜎𝑑 = 3𝜎𝑅, donde 𝜎𝑅 = a la resistencia a la rotura en 𝐾𝑔/𝑚𝑚2;
b = longitud del doblez en mm;
S = espesor de la chapa en mm;
l = distancia entre los apoyos de la chapa
Realizando los cálculos tenemos que la fuerza que necesitamos para el doblado es de
0.288 Toneladas
3.8.8 Elección de los muelles
Se colocarán 6 resortes entre la placa porta punzones y el pisador de punzones con la
finalidad de facilitar la extracción de los punzones de la chapa, también se colocarán 6
resortes entre a placa porta matriz y la placa guía de banda para poder liberar y
transportar la banda a lo largo de los procesos. Estos resortes se colocarán de forma
simétrica para distribuir uniformemente el esfuerzo que tengan que soportar, la
79
colocación y distribución de los resortes se muestran en las figuras 60 y 61,
respectivamente.
Figura 60: Posición de los resortes sobre la placa porta punzón
Figura 61: Posición de los resortes sobre la placa porta matriz
80
El esfuerzo que tienen que soportar los resortes es la fuerza de extracción de los punzones,
que es igual a 0.64 Ton. Por otro lado, tomando en cuenta que tenemos que extraer la
chapa de la matriz en el proceso de punzonado y conformado simultaneo,
consideraremos un esfuerzo mayor en la extracción de punzones que será de 0.8 Ton.
Para este. Estos esfuerzos se tendrán que repartir entre los 12 resortes, por lo tanto, para
la extracción de los punzones cada resorte tendrá que soportar 0.13 Ton. y para la
extracción de la chapa del proceso de punzonado y conformado simultaneo
utilizaremos una fuerza de 0.1 Ton.
Los resortes tienen que tener una precarga superior al 5% de su longitud para evitar las
circunstancias que pudieran adelantar considerablemente su rotura. Se utilizarán
resortes de 32 mm y 25 mm de longitud, por lo que se considerará una precarga de
1.60mm y 1.25mm respectivamente.
La distancia que recorrerá el pisador de punzones con respecto de la placa porta
punzones será de 5.18mm, y la distancia que recorrerá la placa guía de banda con
respecto a la placa porta matriz es de 7.62 mm, por lo que los resortes se comprimirán
esa distancia más la precarga. La compresión de los resortes será de 6.43mm y 9.22mm,
respectivamente.
Para encontrar los resortes adecuados habrá que calcular la constante k de los resortes
necesaria y habrá que asegurarse que la compresión del muelle no supere la deflexión
máxima establecida.
Para encontrar la constante k necesaria se utilizará la siguiente ecuación:
𝐹𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟𝑡𝑒 = 𝑘 ∗ ∆𝑥
Donde:
𝐹𝑟𝑒𝑠𝑜𝑟𝑡𝑒 = fuerza que tiene que soportar cada muelle (N)
k = constante elástica del muelle
∆x = compresión del muelle
𝑘1 =1274.86𝑁
6.43𝑚𝑚 = 198 𝑁 𝑚𝑚⁄
81
𝑘2 =980.67𝑁
9.22𝑚𝑚 =106 𝑁 𝑚𝑚⁄
Donde 𝑘1 es el valor de la fuerza del resorte que se encuentra entra la placa porta
punzón y el pisador de punzones.
Y 𝑘2 es el valor de la fuerza que tiene que soportar el resorte que se va a colocar entre
la placa porta matriz y la placa guía de banda.
Observando las características necesarias para los resortes se opta por 6 resortes de
sección rectangular para 𝑘1 R19x25 color rojo y carga fuerte, para 𝑘2 Az26x32 color azul
y carga media de la empresa INMACISA, las características se muestran en la tabla 10.
CARACTERÍSTICAS DE LOS RESORTES
Tabla 10: Características de los resortes
Diámetro del
orificio
Diámetro de la
varilla
longitud Constante
N/mm
Deflexión
recomendada
Deflexión
máxima
19 mm 10 mm 25 mm 226 5 mm 7.5 mm
26 mm 12.5 mm 32 mm 122 8 mm 11 mm
3.8.9 Fuerza de la prensa
La fuerza máxima necesaria que tiene que realizar la prensa será la suma de la fuerza
de corte más la fuerza de compresión de los muelles y la fuerza de doblado de la chapa.
Además, se multiplicará por un factor de seguridad de 1,1.
𝐹𝑝𝑟𝑒𝑛𝑠𝑎 =8.23 𝑇𝑜𝑛.
El troquel progresivo se tendrá que colocar en una prensa que pueda ejercer más de 9
toneladas de fuerza.
82
CAPÍTULO 4 RESULTADOS
Los resultados obtenidos en este documento nos han permitido saber con gran precisión
que carga soporta el álabe que actualmente se manufactura en la empresa
VENTILADORES AUTOMOTRICES MEXICANOS, tanto en el proceso de ensamble como
cuando esta se encuentra en funcionamiento. En base a los análisis que se realizaron
utilizando el complemento de simulación del software CAD-CAE SolidWorks.
Partiendo de esos resultados se realizó el diseño de un nuevo álabe, el cual soporta una
mayor cantidad de unidades kilogramo fuerza y presenta una mayor rigidez sin realizar
cambios de material, solamente con la utilización de operaciones de
estampado/acuñado. Estos resultados se pueden observar en la tabla 11.
Tabla 11: Comparativo Diseño actual vs Nuevo Diseño
DISEÑO ACTUAL NUEVO DISEÑO
No. de
análisis
Descripción Fuerza
aplicada
Tensiones Desplazamiento Fuerza
aplicada
Tensiones Desplazamiento
1 Análisis estático con fijación de
la pieza por la parte inferior y
por la parte superior
aplicación de fuerza
56Kgf 2454.64
(kgf/cm2)
1.687mm 108Kgf 2511.12
(kgf/cm2)
1.264 mm
2 Análisis estático con fijación en
los extremos y aplicación de
fuerza en la parte frontal
35 Kgf 2488.74
(kgf/cm2)
.15mm 51 Kgf 2500.32
(kgf/cm2)
0.13 mm
Como se observa en la tabla 11, en el análisis número 1 se pude suministrar un 92.85%
más de unidades de Kgf sin exceder el límite elástico del material y en el análisis número
2 un 45.71%. En cuanto al desplazamiento y tensiones se observan valores muy similares.
Una vez que se ha cumplido el objetivo diseñar un álabe con mayor rigidez se realiza el
diseño del herramental de uso específico, el cual es un troquel progresivo con
alimentación manual, integrado por cuatro operaciones (estampado/acuñado,
punzonado y conformado simultaneo, doblado o curvado y cizallado) distribuido en 5
etapas de las cuales cuatro son de las operaciones y una adicional de descanso.
83
Para la colocación del troquel progresivo es necesaria una superficie de trabajo de
360mm de frente por 320mm de fondo y una altura de 250mm como mínimo, además la
prensa debe de tener la capacidad de ejercer más 9 toneladas de presión.
En el capítulo 3 se presentó una descripción detallada de las partes que conforman el
troquel progresivo, así como de los parámetros de operación. Para efectos de evidenciar
uno de los resultados finales de este trabajo, en la figura 62 se muestra una vista
isométrica del diseño del troquel progresivo en su forma completa.
Figura 62 Diseño de troquel progresivo
Estos resultados permiten presentarle a la compañía una propuesta formal para la
solución del problema que fue planteado al comienzo de este trabajo de investigación.
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CONCLUSIONES
A lo largo de la investigación reportada en este documento logró demostrarse que los
curvados tipo cordón colocados de una forma errónea pueden llegar a afectar
negativamente a la rigidez de un elemento, en lugar de mejorarla. Para el correcto
desarrollo de este trabajo, la ingeniería asistida por computadora (CAE) jugó un papel
de alta relevancia. Con la ayuda de la herramienta CAE se puede modelar cualquier
pieza o sistema con una precisión prácticamente real. En este sentido, el análisis por
elementos finitos brinda las bondades de los ambientes de simulación de alta fidelidad:
visualización del modelo y previsión de su comportamiento bajo las condiciones reales
de trabajo sin la necesidad de fabricación de prototipos durante esta etapa de diseño.
El análisis de esfuerzos bajo los criterios de tensión máxima de Von Mises es una medida
de gran importancia en el análisis estático, ya que usa todas las componentes de
esfuerzo presentes en un material, ocasionadas por fuerzas externas a él, por medio de
este se logra establecer, fallas en los materiales una vez que se rebasa el límite elástico
del modelo analizado. Esto ha sido aplicado en el presente proyecto permitiendo
mejorar el diseño de los elementos estudiados, confiriéndole unas mejores propiedades
mecánicas.
El enfoque de diseño seguido en este trabajo presenta la ventaja de que se incrementa
la resistencia a la deformación de la pieza sin la necesidad de emplear materiales
avanzados. Esto permite prever que los costos de operación no se incrementarán de
manera sustancial, en comparación con el hipotético caso en el que se utilizaren
materiales compuestos.
Por otro lado, nos hemos dado cuenta de que el diseño de un troquel es una labor
minuciosa donde no hay opción para la improvisación. Es un proceso que consta de
diferentes etapas que van desde el conocimiento de los requerimientos del cliente, el
diseño, conocimiento minucioso de la materia prima a transformar y la pieza que se
quiere obtener, para luego pasar por la configuración geométrica del troquel,
construcción, ajuste y puesta a punto.
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Una formulación matemática apropiada aproxima valores físicos importantes el diseño
de un troquel, como lo es la fuerza de corte y la fuerza de doblez requerida para el
conformado de la pieza. Esto permite tomar decisiones y confrontar los datos con las
capacidades de las maquinas donde será instalado el troquel.
Las empresas de fabricación de productos troquelados en serie deben elegir el tipo de
troquel más idóneo para su producción. Esto conlleva a forjar una serie de
consideraciones y análisis previos, con la finalidad de seguir un orden de prioridades que
confluyan en un diseño adecuado y una construcción precisa del troquel.
El troquel diseñado en este trabajo fue desarrollado de manera minuciosa y puede
formar parte de una propuesta formal para su implementación física por parte de la
empresa. Cabe señalar que se cubrieron completamente los objetivos planteados al
inicio del trabajo, los cuales consideraban el desarrollo teórico del diseño. De esta
manera, la implementación práctica forma parte del trabajo futuro relacionado con
este trabajo de investigación.
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APORTACIÓN DE LA TESIS
En esta investigación se realizaron los análisis correspondientes para obtener el valor de
la carga que puede soportar el álabe curvada de diseño actual en unidades de Kgf.,
tanto en el proceso de ensamble, como cuando ya es parte del ensamble del ventilador
centrifugo y este se encuentra en funcionamiento.
Por otra parte, se realizo un nuevo diseño del álabe curvado mejorando su rigidez, sin
variar las dimensiones ni el tipo de material de fabricación, solamente usando procesos
de estampado/acuñado.
Por ultimo se propone el diseño de un troquel progresivo de cinco etapas, cuatro
procesos para la fabricación del álabe curvada.
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RECOMENDACIONES
Una vez que se concluyó la tesis y tomando en consideración que los resultados que se
obtuvieron son muy favorables es de suma importancia materializar los resultados con la
fabricación del herramental atendiendo las características de los aceros, los
tratamientos térmicos, los acabados superficiales, las tolerancias geométricas entre
punzón y matriz, y la utilización de elementos normalizados de calidad, con esto se
aseguraría una herramienta durable y por lo tanto piezas que cumplan con los
requerimientos establecidos. Por otra parte, se recomienda la integración de un
alimentador automático para utilizar lamina en royo debido a la demanda del producto.
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Mechanics of Solids and Structures. 2ª. s.l. : Elsevier Science, 2013.
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[En línea] 05 de 08 de 2012. [Citado el: 13 de marzo de 2018.]
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centrifugos/.
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ANEXO A: DIAGRAMAS DE DETALLE
