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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
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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.
EL TALLER MODERNO DE DADOS Y HERRAMIENTAS
Fig. 1.4 Lanceado: solo se troquela parte
del perímetro dejando sostenida de una
parte al mismo tiempo que se dobla.
1
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.
2
EL TALLER MODERNO DE DADOS Y HERRAMIENTAS
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
EL TALLER MODERNO DE DADOS Y HERRAMIENTAS
Fig. 1.9.
3
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.
EL TALLER MODERNO DE DADOS Y HERRAMIENTAS
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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.
EL TALLER MODERNO DE DADOS Y HERRAMIENTAS
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.
EL TALLER MODERNO DE DADOS Y HERRAMIENTAS
49
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.
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EL TALLER MODERNO DE DADOS Y HERRAMIENTAS
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.
EL TALLER MODERNO DE DADOS Y HERRAMIENTAS
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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.
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EL TALLER MODERNO DE DADOS Y HERRAMIENTAS
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
EL TALLER MODERNO DE DADOS Y HERRAMIENTAS
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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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