Procesos de Manufactura 1 FIME
Trabajo de Prensa sobre Láminas Metálicas
Cuando se requiere hacer un producto que tenga una forma adecuada para servir a un
determinado propósito, se tiene varios métodos para trabajar el material de partida. Entre los
métodos más usuales para trabajar los metales se tienen:
Soldadura
Corte por fusión
Sinterizado
Maquinado, maquinado abrasivo
Fundición
Trabajo electroquímicos, electromecánicos
Deformación Plástica
El trabajo por deformación plástica es un método en el cuál se utiliza la plasticidad, de los
metales, para cambiar su tamaño y forma según se desee. Para lo cual se aplica sobre el
material una fuerza que debe generar un nivel de esfuerzos mayor que la resistencia interna
del material. Se debe anotar que el trabajo con deformación plástica no solo que cambia la
forma de la materia prima sino también que cambia las propiedades del material. Los
trabajos de deformación plástica se pueden clasificar de la siguiente manera:
Forja
Rolado
Extrusión
Embutido
Prensado sobre láminas metálicas
El trabajo de prensado sobre la lámina de metal en la actualidad es quizá el más importante
método de fabricación de partes de metal. La importancia de esta forma de proceso para la
economía es evidente al examinar los artículos metálicos de consumo producidos en masa,
tales como automóviles, equipos de oficina, electrodomésticos. Además de las cubiertas
exteriores, muchas partes funcionales se hacen de lámina metálica para maquinas.
En la industria local el trabajo en chapa metálica se centra en la producción de herrajes para
cortinería, instalaciones eléctricas, herramientas para la construcción, partes para
electrodomésticos y como también partes para interiores de automóviles. Los tipos de
trabajo que se pueden realizar en chapa metálica utilizando prensas son:
Corte
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Doblado con matrices (punzón y dados)
Doblado por rolado
Embutido y estirado
Las operaciones de trabajo en prensa, ya sean corte o deformación, incluyen la falla del
metal por carga controlada. En el corte, el metal se carga hasta provocar su fractura. En el
doblado el metal se carga más por encima de su límite elástico para producir solamente flujo
plástico. Además la mayoría de las operaciones de trabajo en prensa requieren
herramientas especiales. En muchos casos, estas herramientas de corte o de forma se
agregan a un juego de dados estandarizados que están montados en una prensa.
Las condiciones que se deben cumplir a fin de emplear estos procesos para la fabricación
de piezas son dos:
1. Cantidades suficientes, debido al alto costo de las herramientas que se requiere.
2. La presencia de propiedades mecánicas en el material para el tipo particular de la
operación que se quiera realizar.
En el presente curso se tratará solamente el corte y doblado de láminas metálicas así como
el doblado de tubos.
Operaciones de Corte de Metal.-
El corte por cizallamiento es un método por el cual se corta laminas, alambres o barras de
materiales metálicos por medio de herramientas con una forma de acuerdo a los propósitos
que se requieran. Este tipo de corte es muy utilizado especialmente en donde la materia
prima inicial viene en grande medidas y pesos, así como en procesos de recortado
El corte por cizallamiento puede ser dividido en dos formas a) Cuando se utiliza punzones y
dados montados en una prensa y b) Cuando se utiliza una máquina para cizallar con
cuchillas apropiadas para cortar.
Las operaciones de corte son posibles en casi todos los materiales en lámina, puesto que no
se requiere flujo plástico del material. Dependiendo específicamente de la forma del trabajo
esta operación toma nombres como: Cizallado, punzonado o troquelado, partición,
recortado, mordido.
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La materia prima para este tipo de operaciones se consigue en planchas de 1220 x 2440
mm (48” x 96”) ó en rollos de 5, 10, 15 toneladas que tienen un ancho de 1220 mm
generalmente. Este material normalmente es seccionado en tiras, llamadas flejes, para
poder hacer fácilmente su manipulación.
Mecánica del Corte por Cizallado.-
Para cortar los materiales se aplica el principio de corte por cizallamiento, se aplica una
carga a fin de provocar la fractura del mismo. Las herramientas que se requieren para
efectuar esta operación pueden ser tan sencillas o complicadas, sin embargo todas ellas
cuentan con tres elementos básicos:
Una cuchilla móvil
Una cuchilla fija
Un sujetador de chapa
En el corte se presentan cuatro etapas bien definidas:
a) Etapa de acercamiento, el sujetador de chapa así como las cuchillas ejercen una
presión continua sobre los elementos a cortar.
b) Etapa de deformación, las cuchillas no penetran en el material sino que provocan una
presión suficientemente alta que produce una deformación plástica.
c) Etapa de indentación, en un cierto punto el material endurecido no se puede de seguir
deformando y las cuchillas penetran en el mismo.
d) Etapa de fractura, la zona deformada adquiere una condición frágil de tal forma que una
carga adicional produce que la sección endurecida se fracture, iniciando en los puntos
en que las cuchillas penetraron.
Requisitos de la herramienta para Cortar.-
e = espesor de la lámina (chapa)h = huelgo o juegoa= ángulo de incidencia (~5º) g = ángulo de alivio (~ 1,5 – 3º)
Fig. 1 Elementos y geometría básica de la herramienta de corte
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Cuchilla
móvil
Cuchillafija
h
e
h
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Para obtener un corte de buena calidad las herramientas (cuchillas) deben tener una
geometría que ayude a ejercer un efecto de cuña sobre la lámina a cortar. La figura 1
presenta un esquema de la geometría de las cuchillas.
Además las cuchillas deben colocarse con una separación (huelgo). La calidad del corte
depende grandemente de la magnitud del huelgo. Si el huelgo es muy pequeño, se
producen escamas en la superficie cortada, por otro lado si es muy grande el borde cortado
resulta con una gran deformación.
El huelgo debe ser más pequeño para materiales dúctiles que para materiales frágiles,
además su valor depende del espesor de la lámina que se corta (h ~ 5 – 13% e).
Debido a la mecánica de corte se desprende que la lámina se corta antes de que las
cuchillas penetren totalmente en el material, la cantidad de penetración se mide con un
parámetro llamado porcentaje de penetración “p”. Cada material tiene su propio porcentaje
de penetración, que va desde 60% para materiales muy dúctiles hasta 15% para materiales
de baja ductilidad o "agrios"
Tabla No. 1Factor de penetración (p/e) y huelgos de varios materiales (H)
Material p/e H/e Acero dúctil 0,1% C 0,64 1/20Acero dúctil 0,2 a 0,3% C 0,50 Acero dúctil 0,4% C o más 0,4Acero Agrio hasta 0,6% C 0,45 1/12Aluminio agrio 0,5Aluminio dúctil 0,76 1/60
e = espesor del material que se desea cortar
Fuerza de Corte.-
Para cortar la lámina se ejerce una fuerza F que es variable con el viaje de la cuchilla móvil.
El valor máximo alcanza cuando se produce el cizallamiento de las secciones cargadas.
Este valor puede ser calculado:
Fmax.= Ac x Ssu
Ac = área cortada
Ssu = resistencia al cizallamiento del material (para los aceros Ssu = 0,8 Su)
Su = resistencia última a la tracción
Además de esta fuerza de corte (axial) se produce una Fuerza Lateral sobre las cuchillas
cuyo valor va desde 8% hasta 35% del valor de F. Siendo esta fuerza mayor en los
materiales frágiles.
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Tabla No. 2Resistencia al Corte de algunos materiales
Material Resistencia al corte Kg/mm2
Material Resistencia al corte Kg/mm2
Acero 0,1% C 28Acero 0,4% C 50Acero 1,0 % C 115
Acero Inoxidable 54 Aluminio “Agrio” 15 Aluminio dúctil 9
Punzonado.-
El punzonado (troquelado) es una operación de corte que se realiza a lo largo de una línea
cerrada, la herramienta o matriz de corte consta principalmente de:
Punzón o macho (cuchilla móvil)
Dado o hembra (cuchilla fija)
D – d = 2h
Fig. 2 Esquema de una herramienta de punzonar
El producto del punzonado puede ser: a) cortar perfiles (tejo o pieza) que luego serán
sometidos a otros procesos de trabajo (doblado, embutición) o b) Realizar agujeros en una
plancha metálica.
El diámetro mínimo (dmin) que se puede punzonar a fin de que no se produzca desgarro en
lugar de cizallamiento depende de las propiedades del material y de su espesor, como se
indica en la tabla siguiente:
Tabla No. 3Diámetro mínimo de punzonado para varios materiales
e= espesor del material a cortar
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Material dmin/eAcero común 1,2Acero duro 1,7Aluminio 0,3.
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Fuerza de Corte.-
La fuerza de corte depende: 1) del perímetro de la figura cortada (L). 2) del espesor de la lámina (e) y
3) de las propiedades mecánicas del material cortado (Ssu).
Fmax. = L x e x Ssu
Pero esto en el caso de que toda la sección se
corte de una sola vez, si este valor es muy alto se
puede disminuir esta fuerza dando una geometría
apropiada ya sea al punzón o al dado a fin de
cortar la sección en forma progresiva.
Fig. 3 Formas de disminuir la fuerza de corte
Distribución de los cortes.-
El punzonado es un proceso que se utiliza para la producción de grandes cantidades de
piezas similares. En este tipo de producción se requiere obtener la mayor cantidad de
productos posibles a partir de una determinada cantidad de materia prima por lo que es
indispensable minimizar los desperdicios.
Fig. 4 Distribución de cortes en los flejes
Para determinar la cantidad de materia prima es necesario no sólo determinar la distribución
de los cortes sino también determinar el ancho remanente “a” en la dirección en que se
alimenta la materia prima así como el ancho “b” a los costados del corte. Cuando la
distribución de la materia prima es adecuada y estos anchos son lo más pequeños la
producción es más económica, pero podrían traer muchos inconvenientes en la operación
de las cuchillas de corte.
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a
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Tabla No. 4Anchos remanentes recomendados
Espesor a b mm mm mm
< 0,5 1.0 1,2 a > 0,5 0,65 + 0,7 e 1,2 a
Herramienta de punzonado.-
Existen varios tipos de herramientas para esta clase de trabajo. La herramienta que se
muestra en la figura siguiente es una de simple acción.
La herramienta para el punzonado, a fin de que pueda realizar los cortes por un largo tiempo
y con la precisión requerida, a parte del punzón y el dado consta de otros elementos que
van ha asegurar que ésta tenga una vida útil larga y además a que el proceso de corte se
realice con rapidez.
Fig. 5 Esquema de herramienta de punzonado
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Fig. 6 Herramienta de Punzonado
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Doblado.-
El doblado es uno de los más importantes métodos de conformado para producir formas
tridimensionales a partir de laminas metálicas. Se trata de lograr un flujo plástico localizado
en uno o más ejes lineales en un material sin causar fractura.
Fig. 7 Varias formas de doblar plancha
Algunas formas típicas de producir piezas por métodos de doblado se muestran en la Fig. 6 ,
en (a) se tiene el doblado mediante matriz (estampado) que se lo realiza en prensas; (b) se
tiene el plegado que se realizan en las máquinas plegadoras; (c) El doblado con rodillos o
barolado, con lo que se obtiene productos de formas cilíndricas o cónicas y (d) El doblado
por rolado en frío, que es un procesos de alta producción en el cual una cinta metálica pasa
a través de una serie de rodillo los cuales van conformando en forma uniforme el perfil final
de la pieza a obtener.
Mecánica del doblado.-
Para producir el doblado se tiene que provocar una deformación plástica en el material, esta
deformación se lo realiza en forma controlada. El material debe ser suficientemente dúctil.
e = espesor del material
f = ángulo de doblez
r = radio interior de doblez
X = distancia a la fibra neutra desde
el lado interior de doblez
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a b cd
Fig. 8
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Cuando una placa es doblada, la parte interna de la sección es comprimida
longitudinalmente mientras que la parte exterior es alargada como se muestra en la Fig. 8,
En una parte cerca de la mitad del espesor de la placa aparece un plano en que su longitud
no varía con el doblado, este plano es llamado el plano neutro y una fibra ubicada en este
plano se conoce como línea neutra del doblado. La ubicación de esta línea depende
fundamentalmente de la relación del radio de dobles al espesor del material.
Tabla No. 5 Ubicación de la línea neutra r/e x/e 5 ó más 0.50 3,0 0.45 2,0 0.40 1,5 0.35 0,8 0.30 0,5 0.25
e = espesor del material a doblar
Debido a este fenómeno la parte de material sometido a doblado disminuye su espesor,
tanto más mientras más pequeño sea el radio interior de doblez. Si el radio es muy pequeño
y/o el material no tiene la suficiente ductilidad puede producirse fisuras en la superficie
doblada.
Tabla No. 6 Relación del radio mínimo de doblez con el espesor (r/e)en varios materiales
Material r/e Acero laminado en frío 0.5Acero inoxidable 18-8(dúctil) 1.0Acero inoxidable 18-8 (agrio) 2.5 -> 4.0Aluminio (dúctil) 0.5Aluminio 1.5 -> 3.0
Para lograr piezas precisas por este método será necesario tomar en cuenta el fenómeno de
alargamiento y encogimiento de las fibras; por lo que para el cálculo del desarrollo
(proyección plana de la pieza a obtener) se debe tomar las medidas en la ubicación de la
fibra neutra.
Retroceso Elástico.-
Debido a la forma como se obtienen las
deformaciones plásticas, queda un remanente
de deformación elástica, la misma que tiende a
hacer que el material luego de doblado
recuperare su forma original (figura 8), este
fenómeno se mide el ángulo de retroceso
elástico.
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b = ángulo de retroceso elástico
Fig. 9
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Para lograr un ángulo exacto de doblez en una pieza habrá que doblarla el ángulo de doblez
más el correspondiente al retorno elástico.
Métodos de doblado.-
Existen disponibles varias maneras de doblar, de acuerdo con la forma de la pieza a obtener
o del método de producción a utilizar. Algunos de ellos utilizan matrices con dados y
punzones de doblado de forma simple como en las prensas de cortina o bastante complejos
como en el estampado o doblado de formas cerradas.
a b cFig. 10 Métodos de doblado
a) de acción central; b) de acción lateral y c) de acción frontal
Fuerza de Doblado.-
A diferencia del corte, el cálculo de la fuerza de doblado depende del método utilizado y de
la geometría de la matriz y del punzón, además de las propiedades mecánicas del material,
del radio de doblez y de la longitud a doblar.
Doblado en “V”
Para el doblado en “V”, se puede utilizar la
siguiente ecuación
Donde:K1= 1,2 -> 1,5Sy= Resistencia a la fluencia del material doblado
Fig. 11 Cálculo de fuerza para doblado en “V”
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Doblado en “L”
Para el doblado en “L”, es decir, de acción lateral, se utiliza la siguiente fórmula:
Fig. 12 Calculo de fuerza para doblado en “L”
Para el doblado en “U” la fuerza es el doble que la necesaria para el doblado en “L”
Las fórmulas son válidas en el supuesto que el radio interior de doblez sea al menos r=e,
para radios mayores la fuerza probablemente será menor que la calculada con las fórmulas
precedentes.
Para el caso del método de doblado de acción frontal la fuerza para doblar es muy complejo
su deducción debido a las múltiples variables que intervienen y depende de la configuración
de la matriz y del tipo de operación a realizar.
Fuerza del sujetachapa
En el caso del doblado en “L” o en “U” la chapa a doblar tiende a deformarse, por lo tanto la
matriz deberá generar una fuerza que ayude a contrarrestar la deformación. Para esto se
debe generar una fuerza que se llama fuerza sujetachapa que puede alcanzar una valor de
aproximadamente al 40% de la fuerza de doblado.
Recomendaciones para el Doblado.-
Es importante determinar el orden de doblado y el tamaño de la pieza (desarrollo). Se puede
utilizar una especie de placa de calibración para determinar el tamaño apropiado del
desarrollo de la pieza.
Si en la pieza doblada deben existir agujeros o muescas cerca de las líneas de doblado,
estas se deformarán debido a la mecánica del proceso por lo que sería recomendable no ser
abiertas hasta después de doblar la pieza. Si no es posible esto estos agujeros y/o muescas
no se deberían ubicar a distancias menores que las indicadas en la Fig. 13.
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En materiales agrios los dobleces realizarse de manera perpendicular a las fibras metalográficas del material
No se recomienda dobleces paralelos a las fibras del material
Fig. 13 Recomendaciones para el doblado
Herramientas de Doblar y Curvar
Existen varios tipos de herramientas para doblar y curvar, el empleo de uno u otro tipo depende de la
forma geométrica y dimensiones de la pieza e importancia de la serie.
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H mayor o igual a 3e + r (Agujero alargado)
H mayor o igual a 1,5e + r (Agujero redondo)
Mínima AlaH = 2e + r
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Útiles dobladores simples, son de forma sencilla y sin complicaciones en su funcionamiento, ya que
tanto la matriz de doblar como el punzón doblador constituyen un todo rígidamente unidos. Su costo
es reducido.
a b
Fig. 14 Herramientas de doblado en V a) simple; b) con expulsor de chapa
Fig. 15 Herramienta de doblado en U Fig. 16 Herramienta de curvado
Útiles dobladores de acción múltiple, están formados por punzones o matrices móviles, su
construcción exige mayor esmero y por tanto su costo es mayor que las anteriores.
Fig. 17 Herramienta de doble acción Fig. 18 Herramienta de acción lateral
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Herramientas combinadas, son una combinación de herramientas de doblar y cortar
simultáneamente, permiten obtener la pieza terminada directamente del fleje.
Fig. 19 Herramienta combinada de doblar y cortar.
Las herramientas combinadas pueden tener varias estaciones de corte y doblado, como la que se
requiere para fabricar la pieza siguiente, que requiere de cuatro estaciones de trabajo.
Fig. 20 Forma de pieza que requiere 3 operaciones de corte y dos de doblado en 4 etapas
Prensas Utilizadas en procesos de Corte y Doblado de Chapa
Las máquinas sobre las que se montan las herramientas de cortar y/o doblar se denominan prensas.
Estas pueden ser mecánicas o hidráulicas. Las prensas mecánicas son las más utilizadas y pueden
ser:
Prensas de Accionamiento manual, se emplean en la ejecución de pruebas de funcionamiento de
los distintos tipos de herramientas de matriceria. Consta de una mesa y de un cabezal móvil
accionado por un tornillo de varias entradas. Las dos masas solidarias al tornillo por medio de las
barras son las encargadas de proporcionar el movimiento y la energía necesaria para realizar el
trabajo. Estas prensas se construyen con capacidad de 1000 a 25000 Kg de fuerza.
Prensas de Excéntrica, El cabezal es accionado por medio de una excéntrica a través de una biela.
Un volante de inercia constituye el principal elemento de aportación de energía necesaria para
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realizar el trabajo sobre la chapa, el volante gira constantemente accionado por un motor, cuenta
además con un embrague que hace que el volante transmita el movimiento a la excéntrica que
acciona el cabezal móvil de la prensa.
Prensas de Husillo, son las que se utilizan preferentemente para estampación (doblado). El cabezal
móvil es movido por un husillo roscado que gira en uno u otro sentido dependiendo del disco que se
acople a su volante. El disco que se acopla con el volante se controla por medio de una palanca.
a) b) c)
Fig. 21 Prensas Mecánicas: a) de accionamiento manual, b) de excéntrica, c) de husillo
Prensas Hidráulicas, Se emplean preferentemente cuando se requiere realizar grandes
deformaciones, para lo cual se requiere dar tiempo al material para que pueda fluir. Se puede
controlar la presión, la velocidad del cabezal, la carrera. Sin embargo son muy costosas.
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Fig. 22 Esquema de una prensa hidráulica
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PARTESA,B basesC columnasD Cabezal móvilE Cilindro hidráulico principalF cilindros para retrocesoG válvula de distribuciónH reservorio de aceiteI Bomba J Acumulador de aceiteK Cilindros colchón de aireL compresor de aire