EL TALLER MODERNO DE DADOS

Y HERRAMIENTAS Primera Edición

HANDLIN ENGELS

EL TALLER MODERNO DE DADOS Y HERRAMIENTAS Carl Wallace Handlin Carlos Engels Primera Edición Septiembre 2014 ISBN: 978-0-9907177-0-6 Alta Tecnología en Mecanizado, S.A. de C.V. Dr. Mora Ote. No. 225, Col. del Norte C.P. 64500, Monterrey, Nuevo León, México. Teléfono: +52 (81) 8351-4082 Y 8331-1040 Para solicitar ejemplares: [email protected] [email protected] www.atm-mx.com Impreso en EUA - Printed in USA Todos los derechos reservados. Esta publicación no puede ser reproducida ni en su todo ni en sus partes, ni registrada en o transmitida por un sistema de recuperación de información, en ninguna forma ni por ningún medio sea mecánico, fotoquímico, electrónico, magnético, electro-óptico, por fotocopia o cualquier otro, sin el permiso previo escrito de los autores.

EL TALLER MODERNO DE DADOS Y HERRAMIENTAS Primera Edición

Carl Wallace Handlin Carlos Engels

INTRODUCCIÓN El objetivo de escribir este libro es compartir la experiencia de los autores diseñando y fabricando troqueles y maquinando piezas de precisión durante 20 años. El diseño de troqueles es una actividad que depende en gran medida de reglas empíricas (reglas de dedo) que los diseñadores aprenden a lo largo de años de cometer errores. Usualmente, cuando estos diseñadores se retiran, el conocimiento adquirido se retira con ellos; por ello ha surgido la necesidad de documentar el mismo. Aunque sigue siendo cierto que la experiencia sólo se puede adquirir con los años, sí es posible hacer menos pronunciada la curva de aprendizaje; libros como éste buscan hacerlo. Existen varios libros en el mercado que tratan este tema. Sin embargo, los libros estudiados por el autor (algunos de los cuales se describen en la bibliografía) sufren de algunas limitaciones. En primer lugar, no hay libros disponibles en castellano, y se deseaba poder alcanzar al mecánico de lengua española; adicionalmente, estos libros están algo obsoletos, pues fueron escritos hace varias décadas y desde entonces, la revolución digital y las innovaciones en recubrimientos para herramientas de corte, han transformado radicalmente el diseño y fabricación de herramientas. En los últimos 60 años la precisión típica requerida en una pieza ha aumentado en un factor de 6 veces (de +/- 30 micras a +/- 5 micras). La complejidad de las piezas también ha aumentado, así como la precisión requerida en piezas con formas irregulares. Hace algunos años éstas podían hacerse solamente de forma aproximada y nunca reproducirse (no se podían fabricar dos piezas iguales). La sinergia de diversas tecnologías como el diseño y fabricación por computadora (CAD y CAM por sus siglas en inglés) y; las nuevas máquinas de control numérico de alta velocidad y alta precisión; en combinación con herramientas de corte con recubrimientos que hacen posible maquinar aceros endurecidos hasta 65 o más grados de dureza en la escala C de Rockwell (cosa impensable hace tan solo unos años), han transformado radicalmente el proceso de diseño y fabricación de troqueles. En resumen, estas nuevas tecnologías han hecho posible reducir el tiempo de diseño y fabricación de un troquel, aumentar sustancialmente la precisión de los mismos, hacer posible el intercambio de refacciones sin ajuste alguno, diseñar productos que no hubieran sido prácticos hace algunos años; y reducir los errores tanto de fabricación como de diseño casi a cero. Aun así, rara vez un troquel funciona a la primera. Ajustes y re-trabajos son comunes en la fabricación y puesta en marcha de una de estas herramientas. Sin embargo, el uso de las nuevas tecnologías ha reducido el número de estos ajustes, las iteraciones que cada ajuste requiere, y lo radical de dichos ajustes. La presente obra busca presentar la información de forma amena y visual, utilizando un gran número de ejemplos que sean de utilidad al lector. Además se introducirá al lector a los procesos, máquinas y herramientas más avanzados disponibles actualmente. Por todo esto, se ha dividido el presente libro en dos secciones: la primera, introduce al lector al diseño y fabricación de un troquel; y la segunda, trata por separado, pero de manera complementaria, el tema de las nuevas tecnologías de maquinado en general, y maquinado en duro en particular. Debido a la importancia que revisten éstas en el moderno taller de maquinado, una gran parte del libro (casi la mitad) está dedicada a las nuevas tecnologías de maquinado.

ÍNDICE Parte I Diseño y Fabricación de Troqueles Capítulo 1 Conceptos Básicos de Troquelado.........................................................................................................................................1 1.1 Punzonado.................................................................................................................................................................................................................................................3 1.2 Operaciones de doblez y de formado.....................................................................................................................................................8 Capítulo 2 El Troquel y sus Componentes.........................................................................................................................................................13 2.1 Troquel.........................................................................................................................................................................................................................................................13 2.2 Zapata........................................................................................................................................................................................................................................................14 2.3 Tipos de postes y bujes......................................................................................................................................................................................................16 2.4 Fabricación de una zapata........................................................................................................................................................................................18 2.5 Errores y prácticas no recomendadas.........................................................................................................................................................22 2.6 Matrices y punzones...........................................................................................................................................................................................................23 2.6.1 Matrices..................................................................................................................................................................................................................................24 2.6.2 Punzones.................................................................................................................................................................................................................................31 2.7 Sufridera.................................................................................................................................................................................................................................................37 2.8 Porta-punzón....................................................................................................................................................................................................................................38 2.9 Pisador......................................................................................................................................................................................................................................................38 2.10 Guías de material, elevadores de tira y topes de paso..........................................................................................44 2.11 Blocks limitadores....................................................................................................................................................................................................................46 2.12 Paralelas..............................................................................................................................................................................................................................................47 2.13 Placa de montaje para cambio rápido..................................................................................................................................................48 Capítulo 3 Troqueles Progresivos................................................................................................................................................................................49 3.1 Herramientas de diseño.................................................................................................................................................................................................49 3.2 La tira...........................................................................................................................................................................................................................................................50 3.3 Acarreadores...................................................................................................................................................................................................................................52 3.4 Aprovechamiento.....................................................................................................................................................................................................................54 3.5 Tipos de alimentadores.....................................................................................................................................................................................................59 3.5.1 Servo alimentadores...........................................................................................................................................................................................60 Capítulo 4 Tolerancias y Dimensionamiento Geométrico..................................................................................................62 Capítulo 5 Ensamble y Prueba........................................................................................................................................................................................76 5.1 Limpieza y prácticas recomendadas...........................................................................................................................................................78 5.2 Spotting....................................................................................................................................................................................................................................................80 5.3 Prueba en prensa.......................................................................................................................................................................................................................81

ÍNDICE Parte II Maquinado en Duro........................................................................................................................................................................................86 Capítulo 6 Fresado........................................................................................................................................................................................................................88 6.1 Máquina.............................................................................................................................................................................................................................................88 6.1.1 Material de la estructura......................................................................................................................................................................89 6.1.2 Tipo de construcción.......................................................................................................................................................................................89 6.1.3 Guías y correderas...........................................................................................................................................................................................90 6.1.3.1 Guías hidrodinámicas o guías de caja.......................................................................................................91 6.1.3.2 Guías lineales.....................................................................................................................................................................................91 6.1.3.3 Guías hidrostáticas.....................................................................................................................................................................92 6.1.4 Husillo......................................................................................................................................................................................................................................93 6.1.5 Tren motriz.......................................................................................................................................................................................................................96 6.2 Herramienta de corte....................................................................................................................................................................................................97 6.3 Herramienta de sujeción.......................................................................................................................................................................................100 6.4 Capacidad de control numérico.............................................................................................................................................................106 6.5 Software de programación CAM........................................................................................................................................................107 6.6 Accesorios para la máquina...........................................................................................................................................................................109 Capítulo 7 Torneado.................................................................................................................................................................................................................113 Capítulo 8 Rectificado de Superficies Planas....................................................................................................................................120 Capítulo 9 Electroerosión por Alambre....................................................................................................................................................128 Apéndice I..................................................................................................................................................................................................................................................139 Apéndice II................................................................................................................................................................................................................................................150 Referencias Bibliográficas..................................................................................................................................................................................................153

Capítulo 1 CONCEPTOS BÁSICOS DE TROQUELADO ¿QUÉ ES EL TROQUELADO? El troquelado es un proceso de fabricación que utiliza un molde o troquel accionado por una prensa para formar y cortar lámina (Fig.1.1). Las operaciones de troquelado más comunes se pueden clasificar en: Punzonado (Fig.1.2), recortado o blanking (Fig.1.3), lanceado (Fig.1.4), formado (doblez) (Fig.1.5) y embutido (Fig.1.6)

PUNZÓN MATRIZ PIEZA

SOBRANTE Fig. 1.1 Prensa usada para el troquelado.

Fig. 1.2 Punzonado: el resultado es un agujero del tamaño y forma del punzón.

PUNZÓN MATRIZ SOBRANTE

PIEZA Fig. 1.3 Blanking: el resultado es una ficha o blank del tamaño y forma de la matriz.

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Fig. 1.4 Lanceado: solo se troquela parte del perímetro dejando sostenida de una parte al mismo tiempo que se dobla.

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Capítulo 1 Conceptos Básicos de Troquelado

El formado se puede definir como cualquier tipo de operación de troquelado no cortante. En el doblez, el material es formado alrededor de un eje. En el embutido, las paredes son continuas y el material es forzado a fluir a través de un contorno continuo

Fig. 1.5 Vista seccionada de la operación de formado.

Fig. 1.6 Vista seccionada de la operación de embutido.

La figura 1.7 muestra algunos ejemplos de partes fabricadas con el proceso de troquelado:

Fig. 1.7 Piezas troqueladas.

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Capítulo 1 Conceptos Básicos de Troquelado

1.1 PUNZONADO Este capítulo describe los conceptos básicos a considerar al diseñar y fabricar un troquel. La figura 1.8 muestra el proceso de punzonado: 1.- Al punzonar una lámina, lo primero que sucede es un impacto sobre la superficie. 2.- Inmediatamente después, el punzón empieza a penetrar el material que al mismo tiempo es empujado en la matriz. 3.- Una vez que el punzón ha penetrado 1/3 del espesor de la lámina, el material se quiebra (punto de quiebre). 4.- Posteriormente el material es empujado en la matriz. 5.- En esta etapa la prensa alcanza el punto más bajo de la carrera. Es deseable que el punzón no entre más de 0.020” ó 0.030” en la matriz., de lo contrario puede; ocasionar un desgaste excesivo en el punzón reduciendo su vida útil. 6.- El punzón se retira mientras se sujeta la lámina con un pisador.

Fig. 1.8 Proceso de punzonado.

ETAPAS EN EL PROCESO DE CORTE DE LÁMINA 1.- Claro entre punzón y matriz.

4.- Inicio de fractura en ambos extremos del material.

C

2.- Punto de contacto.

3.- Punzón y matriz empiezan a penetrar el material la distancia A, el material en el radio B se estira y el material entre los bordes C se comprime. El estiramiento continúa mas allá del limite elástico del material y ocurre deformación plástica.

5.- La fractura se une.

B C

A

6.- Separación del material.

A

B

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Fig. 1.9.

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Capítulo 2 EL TROQUEL Y SUS COMPONENTES 2.1 TROQUEL Un troquel es una herramienta mecánica de precisión y en su diseño y construcción deben considerarse ciertos conceptos básicos para un desempeño óptimo.

Fig. 2.1 Troquel progresivo.

Este capítulo describe los componentes típicos de un troquel, sus características y su funcionamiento. También se describen algunos procesos para manufacturar dichos componentes. La figura 2.2 muestra la construcción de un troquel común con las partes básicas que lo componen.

ZAPATA AUXILIAR SUPERIOR SUFRIDERA

BUJE

PORTA PUNZÓN PUNZÓN

RESORTE PISADOR

POSTE

MATRIZ SUFRIDERA AUXILIAR INFERIOR

ZAPATA Fig. 2.2 Componentes básicos de un troquel.

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Capítulo 2 El Troquel y sus Componentes

2.2 LA ZAPATA El primer componente de un troquel es la zapata o porta-troquel. La zapata es una pieza de precisión cuya función es asegurar la alineación entre los punzones y matrices y garantizar que el movimiento de la prensa sea repetitivo.

Fig. 2.3 Zapata.

Las zapatas son fabricadas en acero al carbón SAE 1020, SAE 1045 o ASTM A36. Éstas deben ser rectificadas paralelas y planas dentro de 0.0005” por pie. Los agujeros para postes y bujes deben fabricarse perpendiculares dentro de 0.0005” por pie y con una tolerancia de localización de +/- 0.0005” entre ellos. Hay dos tipos de sistemas que se pueden usar en una zapata para guiar el troquel:

Fig. 2.4 Poste y bujes embalerados.

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Fig. 2.5 Postes y bujes lisos.

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Capítulo 3 TROQUELES PROGRESIVOS

Es posible definir un troquel progresivo como un troquel con dos o más estaciones, que en cada golpe de prensa realiza una serie de operaciones de corte, punzonado, embutido o formado. La lámina es alimentada estación por estación hasta producir una pieza completa, siendo la última operación la separación de la pieza.

Fig. 3.1 Ejemplo de troquel progresivo de 11 estaciones.

3.1 HERRAMIENTAS DE DISEÑO Antes de discutir el tema de los troqueles progresivos conviene hacer un paréntesis para comentar las herramientas de diseño con que se cuenta en la actualidad. Hoy en día diseñar un troquel sin utilizar un paquete de diseño CAD es impensable. Adicionalmente, aunque existen empresas que siguen diseñando con paquetes de dos dimensiones (2D), esta práctica es poco recomendable y deberá evitarse. Hay varias razones por las que diseñar en 3D es preferible: 1) es mucho más fácil y rápido, 2) la probabilidad de cometer errores es mucho menor, 3) es mucho más difícil para el fabricante interpretar diseños en 2D, y 4) formadores con formas complejas son imposibles de representar con dibujos en 2D.

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Capítulo 3 Troqueles Progresivos

Existen varios tipos de paquetes computacionales de modelado sólido (3D). Los hay de uso general para diseño de maquinaria o de producto. También hay paquetes con funciones específicas para diseñar troqueles que se montan sobre un paquete de 3D de uso general, aprovechando las herramientas generales del mismo. Finalmente, existen los paquetes autónomos (stand alone) para diseño de troqueles. Puesto que cada paquete computacional es distinto, no es práctico tratar de describir en detalle cómo utilizarlos para diseñar un troquel. Para ello el usuario deberá recurrir a los cursos, tutoriales y videos que ofrece cada fabricante. Adicionalmente hay una gran cantidad de recursos en el internet, incluyendo videos en YouTube™, foros de usuarios, etc. Nota sobre librerías: Como el lector habrá notado en secciones anteriores de esta obra, un troquel usualmente lleva un gran número de componentes comerciales tales como tornillos, resortes, pernos dowel, punzones comerciales, cilindros de nitrógeno, etc. En la actualidad, cada vez más vendedores de estos componentes incluyen modelos en 3D de sus productos en sus catálogos electrónicos. Esto permite al diseñador de un troquel tomar estos componentes del proveedor e importarlos directamente a su diseño, sin tener que modelarlos de nuevo. Adicionalmente, todos los paquetes de diseño, en mayor o menor grado, incluyen internamente librerías (catálogos electrónicos) de componentes comerciales.

3.2 LA TIRA GENERALIDADES El primer paso para diseñar un troquel es el diseño de la tira. La tira es la lámina que muestra cada operación de troquelado desde que la lámina entra al troquel hasta que la pieza terminada cae libre al final del mismo. Conforme la lámina va avanzando por el troquel (empujada por alguno de los mecanismos descritos en la sección de alimentadores), ésta sufre una nueva transformación en cada estación del troquel (con cada golpe del troquel), tal como perforado, doblado, etc. Ver figura 3.2. El diseñador del troquel debe entonces poder decidir cómo quiere que la lámina se vaya transformando paso por paso para obtener el producto final deseado. Es importante empezar con el diseño en 3D de la tira, ya sea manualmente, o valiéndose de las herramientas de construcción de tira con los que cuentan los paquetes más avanzados. Todos los demás elementos del troquel dependerán de que la tira haya sido bien hecha. Aunque es posible modificar la tira, y por lo tanto el resto del troquel, es preferible evitarlo más adelante en el proceso del diseño. El diseño inicial de la tira no debe verse como una primera aproximación al proceso de fabricación de la pieza. 50

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Capítulo 7 TORNEADO Con los avances en herramientas de corte se ha hecho posible sustituir, en algunas aplicaciones, el proceso de rectificado cilíndrico torneando las piezas endurecidas. Esto además permite tornear perfiles irregulares que serían difíciles de rectificar.

TORNEADO EN DURO v.s RECTIFICADO TORNEADO EN DURO

RECTIFICADO

1.- Tiempo de preparación corto 2.- Una o dos operaciones 3.- Tiempos de ciclo hasta 80% más corto 4.- Gran capacidad de remoción de material 5.- Herramienta de un solo punto puede hacer perfiles con el control numérico 6.- Menos inversión de maquinaria

1.- Tiempo de preparación largo 2.- Operaciones múltiples 3.- Tiempos de ciclo largos 4.- Poca capacidad de remoción de material. 5.- Necesidad de perfilar la rueda de rectificado (Fig. 7.1) 6.- Inversión de maquinaria alto

RUEDA CON FORMA ESPECIAL

PIEZA

PIEZA

INSERTO CBN STANDARD

Torneado en duro

Rectificado Fig. 7.1.

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Capítulo 7 Torneado A continuación se muestran ejemplos de piezas en acero D2 y D6 a 60 R.C. torneadas en duro con tolerancias de 0.010 mm (0.0004”) y redondez de 0.008 mm (0.0003”).

Fig. 7.2.

En la figura de abajo (fig. 7.3) se ve un troquel progresivo con piezas torneadas en duro:

Fig. 7.3.

Las herramientas utilizadas en el torneado en duro son de cerámica y CBN. Es necesario contar con un torno rígido, de preferencia con guías de caja o guías hidrostáticas para un mejor desempeño de las herramientas especialmente cuando hay corte interrumpido.

Fig. 7.4 Ejemplos de insertos de cerámica y CBN para tornear materiales endurecidos.

Como regla general, si la tolerancia es de 0.001” (0.025 mm) o mayor, los insertos de cerámica son la mejor opción, ya que son menos costosos; si la tolerancia es menor a 0.001” (0.025 mm), los insertos de CBN son la mejor opción por su mayor resistencia al desgaste y capacidad para mantener tolerancias cerradas por mayor tiempo. 114

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Apéndice I Ejemplos de Fresado en Duro

PowerMILL Setup Sheet 13/01/2014 Proyecto de PowerMILL

Formador

Programador

JHR

Material y dureza

Acero D2 60 R.C.

Máquina

Okuma MD46VAE

Tiempo de mecanizado

1: 25:49

LISTA DE HERRAMIENTAS Herramienta Diámetro Porta-herramienta Saliente Número RPM Avance Tiempo estimado

Operación

2

10 Metric

2

35

3

5700

1500

0:16:19

Semi-acabado

3

10 Metric

3

35

4

8000 2000

1:09:30

Acabado

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Apéndice I Ejemplos de Fresado en Duro

Desarrollos recientes en herramientas de corte permiten fresar piezas de carburo de tungsteno. La compañía japonesa NS Tool Co. Ltd., ha desarrollado endmills de PCD (Polycrystalline diamond/ diamante policristalino). A continuación se muestra un ejemplo de una pieza de carburo utilizando herramienta de PCD. Nótese que se requieren altas RPM y profundidades de corte de micras. PCDRB Shell model Enfriamiento

Agua–aceite soluble

Material y dureza

Carburo (92.5 HRA)

Tamaño

15mm X 15mm

Tiempo de mecanizado

5hr 40min （acabado）

Foto cortesía de NS Tool Co. Ltd.

LISTA DE HERRAMIENTAS Herramienta

Material removido

Profundidad de corte

development Dia coat R0.5

0.01 mm

0.025 X 0.15

30,000 300

2 hr 20 min

Desbaste

development Dia coat R0.5

0.005 mm

0.005 X 0.005

30,000 450

1 hr 10 min

Semi-acabado

0.002 X 0.0015

120,000 350

5 hr 40 min

Acabado

ＰＣＤＲＢ  R0.5 

148

RPM Avance Tiempo estimado

Proceso

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