Ciencia forense para troqueles Encuentre la causa raíz de las fallas en punzonados y cortes ¿Qué es lo que causa desgarramiento, desgaste y falla prematura del punzón?, ¿cómo pueden las empresas de estampado controlar los sobrantes, evitar rechazos y componentes del troquel dañados?, ¿cuáles son los mejores procedimientos a seguir durante el rectificado de punzones? Encuentre aquí la respuesta a estas preguntas y más.

¿C

uáles son las fallas que afrontan más comúnmente los diseñadores y fabricantes de troqueles así como las empresas de estampados? 1) Desgaste excesivo y desgarramiento que dan como resultado vida corta del punzón, agujeros de baja calidad y un desempeño inaceptable. 2) Fallas en el control de los sobrantes, provocando piezas rechazadas en el mejor de los casos y componentes del troquel dañados en el peor. 3) Punzones quebrados o deformados provocando tiempos muertos, daños adicionales al troquel y retrasos. 4) Rebaba excesiva, resultando en corridas cortas, piezas defectuosas y tiempos muertos. Una práctica común en el diseño y fabricación de troqueles de estampado es aplicar una luz de corte estándar entre el punzón y la matriz para todos Este artículo está basado en una conferencia presentada en METALFORM 2007 en Rosemont, IL; por Dayton Progress, Dayton, OH; 937/859-5111; www.daytonprogress.com. 46

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los cortes independientemente del tamaño. Desafortunadamente, llega un punto en donde el tamaño del agujero se vuelve muy pequeño en relación con el espesor de la pieza para que la luz de corte sea efectiva. Esto da como resultado una gran fuerza de punzonado, mayor bruñido (zona brillante) en el agujero y rebaba excesiva. Este fenómeno se presenta cuando el tamaño del agujero es por debajo de 1.5 veces el espesor del material. En este punto, se vuelve más difícil doblar y liberar limpiamente el sobrante. Se puede aumentar la palanca para doblar y liberar el sobrante incrementando la luz de corte entre el punzón y la matriz. Una regla común: agregue una luz de corte de uno por ciento por lado a la luz de corte existente, cuando el tamaño del agujero es de 1.5 veces el espesor del material, e incremente la luz de corte a medida que el tamaño del agujero sea menor. Un agujero con un diámetro igual al espesor del material necesita una luz de corte de alrededor del 4% por lado adicional al usado para el resto de los cortes. Las características de los agujeros varían con la luz de corte. Una luz de corte regular produce un gran

porcentaje de zona brillante con un mínimo de zona rugosa. El tamaño del agujero tiende a ser menor que el tamaño de la figura del punzón. Una luz de corte de mayor logra un bajo porcentaje de zona brillante con una mayor zona rugosa. El agujero con luz de corte mayor será más grande que la figura del punzón.

Esfuerzos al penetrar Al momento del impacto, se genera una fuerza de compresión, que transmite una onda de choque a través del punzón. Hay un breve momento en que el punzón se detiene mientras la fuerza de contragolpe, la flexibilidad del carro móvil y de la prensa son vencidos. Con una luz de corte típica de punzón a matriz – 5% por lado – el material de la pieza debajo de la punta del punzón empieza a abultarse. El flujo del material de la pieza se produce por la gran fuerza de compresión, que lleva a fallas relacionadas con la compresión y el choque. Un aumento en la luz de corte de 9 a 20 por ciento por lado, permite al material de la pieza estar bajo una menor carga de tensión, minimizando la carga de compresión y los problemas asociados. Cuando el material de la http://mexico.pma.org

pieza excede su límite en tensión, el sobrante se separa súbitamente de la pieza. Esta descarga súbita de presión del punzón genera un choque de rebote que provoca el desprendimiento de la cabeza del punzón.

Succión del sobrante La succión del sobrante tiene muchas causas, incluyendo lubricantes pegajosos, penetración excesiva del punzón y una gran luz de corte. Cuando se realiza un corte, el sobrante crea un domo en el centro del punzón, generando una zona de vacío que puede hacer que el sobrante se pegue al borde del punzón, causando la succión del sobrante. Los lubricantes crean un sello alrededor de la zona de vacío, incrementando así la succión del sobrante. La penetración excesiva del punzón genera un problema similar – a mayor entrada del punzón, mayor vacío generado a la salida del mismo –. Los punzones regulares, sin control de sobrante, deben mantener una luz de corte relativamente estrecha. El ajuste estrecho del material de la pieza alrededor de la punta de punzón puede causar desgarre y daño por calentamiento a esta área del punzón. Los anillos alrededor de la punta del punzón indican que el material de la pieza ha presentado recuperación elástica al momento del desprendimiento, esto provoca que el material atrape la punta del punzón. El ajuste de martillo que se crea entre el material y la punta del punzón genera calor, decolorando el área justo debajo de la punta, dañando potencialmente el tratamiento térmico y reduciendo la vida útil del troquel. El movimiento de regreso del punzón después del corte puede generar hasta dos tercios del desgaste de éste. Debido a que una luz de corte regular puede producir un agujero hasta 0.05mm más pequeño que el tamaño de la punta del punzón, se crea una condición de ajuste de martillo en cada golpe del troquel. Con una luz de corte regular, el agujero en la pieza se contrae y atrapa la punta del punzón. El sobrante se expande y queda atrapado http://mexico.pma.org

en la matriz. El desgaste abrasivo del punzón y la matriz será excesivo. La reacción opuesta ocurre cuando se aplica una luz de corte de ingeniería (9% a 20%), minimizando el potencial de atasco del sobrante. Una luz de corte de ingeniería produce un agujero mayor que la punta del Los dos punzones de la foto son diseños punzón, dando un ajuste idénticos con una excepción; él punzón superior deslizante entre el material y el de acero M2 duró años en uso mientras que el punzón eliminando hasta dos punzón inferior de acero A2, falló después de unos cuantos golpes. Aún cuando ambos tercios del desgaste que se punzones son de la misma dureza, el punzón M2 presenta con una luz de corte tiene una mayor resistencia a la compresión, regular. De cualquier manera, permitiéndole soportar aplicaciones con cargas incrementar la luz de corte mayores. reduce el tamaño del sobrante. acero con una combinación de Esto deja el sobrante libre para ser resistencia al choque y alta resistencia a succionado cuando el punzón se retira. la compresión. Las aleaciones M2 o Un agujero en el lado del punzón PM-M4 tienden a trabajar mejor en ventila la zona de vació permitiendo al estas aplicaciones. El proceso de perno eyector retirar el sobrante sin metalurgia de partículas hace posible la resistencia. manufactura de aceros grado El atasco de sobrantes, que ocurre con herramienta de alta aleación con mayor frecuencia en cortes con mejores durezas y de fácil maquinado. materiales delgados o suaves, puede También produce una mejor causar que el punzón se quiebre o truene distribución de carburos, que a su vez, la matriz. Además de una luz de corte minimiza las fallas direccionales estrecha, una vida de la matriz excesiva relacionadas a los aceros grado puede causar atascos de sobrantes. herramienta fabricados de forma Reducir la vida de la matriz hace que se tradicional. retengan un menor número de sobrantes La resistencia a la compresión es una por lo que se requiere menor fuerza para característica de los aceros grado retirarlos. La vida de la matriz no debe ser mayor que cuatro veces el espesor del material. Aumentar la luz de corte reducirá el tamaño del sobrante lo que le permitirá caer libremente a través de la matriz, reduciendo el desgaste en el punzón y la matriz; mejorando la vida del troquel.

Aceros grado Esta foto ilustra un desprendimiento de la cabeza herramienta para del punzón típica. Los punzones rectos como combatir la compresión estos tienen el mayor potencial de rotura de Las aplicaciones con gran carga como dobleces en acero inoxidable, aceros grado resorte y aceros de alta resistencia de baja aleación requieren herramientas de

cabeza debido a que proporcionan la menor cantidad de soporte en el extremo de la cabeza. Rediseñar el punzón con un cuerpo mayor reduciría la rotura de cabeza en esta aplicación. Cambiar el material del punzón a un grado mayor de resistencia en compresión también minimizará la posibilidad de rotura de cabeza. MetalForming/Septiembre 2008

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Patrón de surcos

Punto de origen Esta foto ilustra el astillado en la cara del punzón. El patrón de surcos en la punta del punzón a la izquierda indica el origen y dirección de la falla. La falla inicial empezó en la parte inferior derecha. Este punzón se astilló de la cara de corte al retirarse, probablemente debido a una estrecha luz de corte o mala alineación. La continuación de la producción provocó astillas y desgaste en el flanco.

herramienta poco conocida y a menudo pasada por alto. Es una medida de la carga máxima que un objeto puede soportar antes de deformarse o producir una falla catastrófica. Una zona común de fallas debido a fuerzas excesivas de compresión es en el radio entre la punta y el cuerpo del punzón. De cualquier manera, no todas las fallas en este radio se deben a las fuerzas de compresión. El calentamiento excesivo en el rectificado y deflexiones laterales de la punta del punzón pueden producir fallas con síntomas similares. La deformación del punzón es otra forma de falla por compresión. Las

deformaciones pueden ocurrir en la punta o donde el punzón ya no es guiado por el pisador. En la mayoría de los casos, las herramientas con aceros templados adecuadamente se doblan o deforman antes de quebrarse. Cuando la punta del punzón se dobla, se considera a menudo como un signo de dureza insuficiente. Los métodos de prueba de dureza para comprobar objetos redondos o doblados adecuadamente requieren procedimientos especiales. La exactitud de las pruebas de dureza se mejora notablemente rectificando un par de planos opuestos. Reducir el diámetro o biselar la porción de la superficie de montaje de la cabeza del punzón minimiza o elimina las cargas de compresión y flexión del diámetro exterior no soportado en el impacto. También es importante biselar el fondo del avellanado en el retenedor del punzón para evitar el choque con la transición del radio debajo de la cabeza del punzón. Los tres métodos más efectivos para prevenir que se rompa la cabeza del punzón son: incrementar el diámetro del cuerpo del punzón, aplicar un ángulo de afilado a la punta del punzón y mantener la dureza de la placa de respaldo entre 45 y 48 Rc. Como regla general, los pisadores móviles con resortes se deben usar donde sea posible y no debe permitirse que los punzones se muevan dentro del porta punzón.

Patrón en “S” en el punto de quiebre

Fuerza lateral El desgarrado no uniforme es una indicación de mala alineación. En muchos casos, la mala alineación puede llevar a astillados o roturas, como se muestra aquí. La curva en “S” en el punzón quebrado que aquí se muestra es común para este tipo de fallas. La mala alineación puede surgir de fuerzas laterales generadas por las operaciones de formado; pernos guías y bujes gastados en el troquel o chavetas sueltas en el carro de la prensa.

consiste en dos planos en la punta del punzón y a menudo se conoce como techo de dos aguas. Este diseño trabaja mejor en puntas de punzón de formas alargadas o rectangulares. Los ángulos de afilado cóncavos producen astillas en la punta del punzón y roturas por lo que deben ser evitados. Un ángulo de afilado en bisel reduce

Marca de choque con el pisador

Desgaste no uniforme Patrón en “S” del punto de quiebre

Ángulos de afilado para el punzón

Patrón de surcos Punto de origen Los arcos radiales del patrón de surcos indican la dirección y el punto de origen de la falla. La falla inicial comenzó en la parte superior izquierda de la cara del punzón. Este punzón se astilló en su cara de corte al retirarse y se debió a una estrecha luz de corte, mala alineación y el uso de un pisador fijo. 48

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Se puede reducir la carga inicial en el punzón utilizando ángulos de afilado en la punta del punzón. Los ángulos de afilado se pueden generar en muchas configuraciones. Un ángulo de afilado plano simple reduce la carga, pero tiende a flexionar el punzón lateralmente y causar un desgaste excesivo y disparejo; astillas en el punzón y la matriz; así como roturas en la punta del punzón. El ángulo de afilado simple se usa típicamente en la punta de los punzones no redondos. Un ángulo de afilado de doble

El punto de quiebre que se muestra aquí resultó de la mala alineación y choque con el pisador. El desgaste no uniforme del borde de corte del punzón indica mala alineación del punzón y la matriz creando esfuerzos laterales. Este esfuerzo combinado con el choque con el pisador redujo la vida útil del punzón. Note el anillo alrededor del punzón en el área de transición del radio como resultado del choque con el pisador. Para evitar el choque con el pisador éste se debe maquinar y los punzones no deben penetrar excesivamente. http://mexico.pma.org

la carga del punzón y minimiza las astillas en la punta del punzón, pero este diseño tiende a inducir desgaste. El ángulo de afilado cónico es la mejor configuración para cortes con un punzón redondo, la reducción de la carga es mayor que el ángulo de afilado en forma de bisel, el desgaste se distribuye uniformemente en la punta y el sobrante se deforma lo suficiente para minimizar la succión del sobrante. Aunque los ángulos de afilado pueden reducir el impacto inicial y la carga total, los mismos ángulos pueden producir otros tipos de problemas. Las astillas en el flanco resultan a menudo de una concentración de carga generada por los ángulos de afilado en la punta del punzón.

al menos 0.50mm a las esquinas del punzón. De hecho, para tener una vida óptima de la herramienta, se debe aplicar, en lo posible, un radio pequeño a todas las esquinas vivas. Se debe tener cuidado al afilar punzones y matrices. Cortes excesivos al rectificar, el uso de una piedra incorrecta, una piedra sin recubrimiento, o la falta de refrigerante son algunos factores que pueden

producir daños al rectificar. Los tipos de daño por rectificado incluyen decoloración, grietas superficiales y descamaciones. Los esfuerzos internos y los cambios de dureza también afectan la vida de la herramienta. La cara del punzón se puede descamar debido a un rápido calentamiento superficial. La superficie se expande a una mayor velocidad que el resto del punzón causando su

Consejos para rectificado Las esquinas vivas de los agujeros no redondos presentan problemas únicos. La concentración de esfuerzos y de carga en un área con forma de punta como en punzones rectangulares, triangulares o estriados, produce rebabas excesivas y fallas prematuras del punzón. Este problema se agrava por limitaciones de fabricación y características de endurecimiento del acero. Rectificar un punzón con esquinas exteriores puede lograrse fácilmente, pero las capacidades actuales de fabricación todavía hacen difícil cortar con hilo o rectificar dentro de esquinas para lograr cantos vivos. Debido a que el hilo de las cortadoras de hilo es redondo, las esquinas de la sección de la matriz tendrán un radio mínimo de aproximadamente 0.15 mm. Rectificar estas esquinas produce resultados similares debido al quiebre de las esquinas de la piedra de rectificado. El radio realmente produce un beneficio, si existiera una esquina viva, crearía concentraciones de esfuerzos que provocarían una falla prematura. Si deja una esquina viva en un punzón, muy probablemente se astillará y desgastará con el uso regular. Esto genera una gran cantidad de zona brillante y rebabas en las áreas correspondientes del agujero. Para eliminar las rebabas y minimizar el desgaste, aplique un radio generoso de http://mexico.pma.org

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separación. Un afilado inadecuado puede producir fallas catastróficas en el troquel ya que el punzón se puede romper debido a la carga y a las grietas superficiales causadas por el calor al rectificar. Este punzón rectificado verticalmente tiene un acabado Las grietas ocurren burdo en su cara. Una observación cuando el calor se más detallada reveló rebabas de incrementa en el rectificado en la cara del punzón que debieron ser eliminados antes punzón. A diferencia del recubrimiento. Las rebabas se de las descamaciones, fracturarán al entrar en contacto con las grietas ocurren el material y el recubrimiento se debido a un dañará desde el primer golpe. calentamiento más profundo. Se pueden encontrar quemaduras de rectificado y patrones de calentamiento excesivo en los punzones. El daño por rectificado ocurre cuando la temperatura de la pieza se acerca unos 50 grados a la temperatura de templado. Un cambio de color de café a azul y después a negro indica la severidad de la quemadura. MF

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