Punzonado

Punzonado

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Punzonado (Punching)

Proceso mecánico de alta precisión de corte de figuras simples en láminas de acero de bajo carbono, galvanizadas, pintadas, inoxidable y aluminio; que requieren perforaciones con geometrías determinadas. Se emplea un punzón perfectamente afilado y una matriz (base) que permiten diferentes operaciones: embutido y abocardado ambas con posibilidad de roscado y el punzonado (corte de la figura en un sólo golpe).

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1. Punzonado

El punzonado es una operación mecánica que consiste en perforar (corte cerrado) una lámina metálica por medio de un corte o deformación sin arranque de viruta.

Pertenece a la rama de la matricería que estudia y desarrolla operaciones para obtener piezas en serie.

Es un proceso en frío de corte de lámina y placa mediante un punzón y matriz. La aplicación de una fuerza sobre el punzón lo obliga a penetrar en la lámina creando una deformación inicial seguida de un cizallamiento y rotura del material (por propagación rápida de fisuras entre las aristas de corte del punzón y matriz) finalizando con la expulsión de la pieza cortada o sobrante.

Fig. Punzonado.
Fig. Principio de funcionamiento del punzonado.

2. Mecánica del corte

En el proceso de punzonado se consideran tres etapas:

  • Deformación. Los esfuerzos del punzón sobre la lámina metálica, originan en ésta una deformación, inicialmente elástica y después plástica, alrededor de los bordes del punzón y matriz.
  • Penetración. Los filos del corte del punzón y matriz penetran dentro del material produciéndose grietas en el material debido a la concentración de tensiones a lo largo de los filos del corte.
  • Fractura. Las grietas originadas a uno y otro lado de la lámina se encuentran originando la separación del material. Asimismo, el punzón continua su descenso para expulsar el recorte. El juego de corte, permite la penetración del punzón en la matriz y la expulsión del material cortado.

Al perforar a través de acero usando un punzón, el borde superior del orificio se redondea en la zona que el material es cortado hacia abajo formando una rebaba en la parte inferior a causa del material removido.

Las características producidas en los bordes de la chapa y del material cortado son:

donde:

  • e = espesor
  • Deformación plástica caracterizada por un pequeño radio o redondeado
  • Zona bruñida de aspecto brillante.
  • Zona de fractura, con aspecto mate, definida por la penetración.
  • Rebaba caracterizada por su altura.
Fig. Características del punzonado.

Dp = Diámetro de punzón.
DM = Diámetro de la matriz.
c = Juego entre punzón y matriz

Todas estas características dependen del tipo, dureza y espesor del material, juego entre punzón y matriz, estado de los filos de corte, sujeción de material y tamaño del punzón.

La zona de fractura y la calidad del corte dependen del juego entre matriz y punzón.

  • Juego insuficiente. Genera un corte secundario, mayor grado de precisión y mayor desgaste de herramental.
  • Juego normal. Grietas alineadas, no causa corte secundario, rebaba pequeña.
  • Juego excesivo. Mayor rebaba, menor grado de precisión y menor desgaste de herramental.
Juego insuficiente Juego excesivo
Juego: c = Ac • e
c = Claro (juego entre punzón y matriz) Ac = Factor (en función del la dureza del material) e = Espesor de la lámina o placa
Ac Material
0.052 Para latón y acero de bajo carbono
0.062 Para acero de medio carbono
0.072 Para acero de alto carbono
0.100 Para aluminio

Al ser una operación de deformación sin arranque de viruta, permite procesar láminas con tolerancias geométricas y dimensionales mínimas, y sin alterar de forma significativa el acabado superficial de las piezas.

La relación entre espesor de la lámina o placa (e) y el diámetro del punzón (d) está dada por:

es decir, la lámina o placa a procesar debe tener un espesor menor (hasta un 20%) o igual al diámetro del punzón. La disposición óptima de la figura a cortar, asegura una pérdida mínima de material. La separación mínima entre figuras nunca debe ser menor al espesor de la lámina o placa.

Fig. Distancias mínimas.

a = Distancia mínima de una perforación a un borde = 3e
b = Distancia mínima entre perforaciones = 2e
e = Espesor de la lámina o placa

El punzonado va ligado al proceso de estampado, dado que en este proceso existe una transformación plástica (alargamiento).

La tecnología de punzonado ha evolucionado hacia más máquinas automáticas integradas en la estación de trabajo. Estas máquinas CNC (control numérico por computadora) son más flexibles, permiten procesar una amplia familia de piezas sobre la misma máquina.

Las operaciones que se pueden realizar en estas máquinas son: punzonado (golpe en un punto de la pieza, para generar una perforación), mascado (punzonados consecutivos y solapados, para generar contorno en la pieza), y conformado (operaciones de deformación plástica de la pieza, se puede embutir, extruir y acuñar, para generar cortes de formas variadas).

El número de ejes que emplea el equipo de punzonado CNC puede ser:

  • 3 ejes: (X, Y) para desplazamiento y eje Z para la profundidad del punzón.
  • 4 ejes: (X, Y) para desplazamiento, eje Z para la profundidad del punzón y eje T para cambio de herramienta.
  • 5 ejes: (X, Y) para desplazamiento, eje Z para la profundidad del punzón, eje T para cambio de herramienta y eje B para giro de la matriz.
  • 6 ejes; (X, Y) para desplazamiento, eje Z para la profundidad del punzón, eje T para cambio de herramienta, eje B para giro de la matriz y eje A para giro del punzón.

Fuerza de corte

Es importante calcular la fuerza de corte (F) porque ésta determina el tamaño (tonelaje) de la prensa necesaria y es esencial para evitar un desgaste prematuro de la herramienta. La fuerza de corte (F) en el trabajo de láminas se determina por:

S = Resistencia al corte, kg/mm².
e = Espesor de la lámina, mm.
L = Perímetro de corte, mm.
F = Fuerza de punzonado, kg.

Material Resistencia al corte, S (kg/mm²)
Material recocido (en frío) Material en caliente
Aluminio 9 ---
Duraluminio 18 ---
Cobre 20 ---
Plomo 3 ---
Latón 28 ---
Zinc 14 ---
Acero de bajo carbono 33 15
Acero de medio carbono 50 20
Acero de alto carbono 70 28
Acero inoxidable 50 20

Ejemplo. Se corta un disco de 30 mm de diámetro de lámina de acero de bajo carbono rolado en frío de 2 mm de espesor. Calcular el valor de la fuerza de corte.

Resolución:

Datos:

Perímetro de disco: L = π • d = 3.1416 * (30 mm) = 94.24 mm
Resistencia al corte: S = 33 kg/mm² (dato de tabla)
Espesor: e = 2 mm

Aplicando la fórmula, se tiene:

F = S • e • L = 33 kg/mm² * 2 mm * 94.24 mm = 6220 kg

Cuando se trata de una disposición múltiple (varias figuras), se utilizarán varios punzones, por lo tanto el cálculo de la fuerza de corte total es la suma de las fuerzas parciales de cada punzón.

Ejemplo. Calcular la fuerza de corte total necesaria para cortar la pieza representada en al siguiente figura, sabiendo que es latón recocido con espesor de 2 mm y que se emplea la disposición múltiple para corte progresivo.

Fig. Punzonado.
Fig. Disposición de cortes progresivos.

Resolución:

  • Resistencia al corte para latón: S = 28 kg/mm²
  • Para punzón de diámetro 6 mm: perímetro L = π • d = 3.1416 * 6 mm = 18.85 mm

F1 = S • e • L = 28 kg/mm² * 2 mm * 18.85 mm = 1056 kg

  • -Para punzón de diámetro 10 mm: perímetro L = π • d = 3.1416 * 10 mm = 31.42 mm

F2 = S • e • L = 28 kg/mm² * 2 mm * 31.42 mm = 1760 kg

  • Para punzón rectangular: perímetro L = 2(base + altura) = 2 (40 mm + 20 mm) = 120 mm

F3 = S • e • L = 28 kg/mm² * 2 mm * 120 mm = 6720 kg

Por tanto, la fuerza total de corte será:

F = F1 + F2 + F3 = 1056 kg + 1760 kg + 6720 kg = 9536 kg ≈ 10 t