Identificación de la necesidad de diseño

Diseño nuevo que parte de la necesidad de producir la pieza “protectores de

cilindro para cerraduras de puertas metálicas” en su cinco variantes, mediante un
sistema que utilice un solo conjunto de porta troquel y porta matriz, y que permita ser
re - utilizado en la fabricación de futuras piezas. Se parte de una pieza ya fabricada
con medidas y material definidos por el ramo de la herrería y construcción.

Análisis de las características de la pieza a fabricar:

Para comenzar el estudio de los diversos componentes que constituyen el

troquel, se debe considerar el plano y modelo de la pieza a fabricar, el análisis y
cuidadoso estudio de éste es la primera operación que se debe realizar en cualquier
diseño, ya que la información incluida en él contiene datos útiles para resolver el
problema planteado.
Se debe tener en cuenta la geometría, tamaño, tipo de material, tolerancias de
acabado, volúmenes de producción, entre otros datos. Este análisis resultara en la
selección de los materiales, tolerancias y procesos de fabricación por troquelado
adecuados a utilizar.
La pieza es un protector de cilindro para cerraduras de puertas metálicas, de
dos geometrías distintas y cinco variantes con medidas específicas (tabla X).
 Modelo 1
Datos de la pieza

Descripción Protector de cilindro ovalado

parte interna (Variante 1.1)

Cantidad 1 pieza por juego

Producción 1002 por lote (2 láminas)

Datos de la pieza
Descripción Protector de cilindro ovalado
parte externa (Variante 1.2)

Cantidad 1 pieza por juego

Producción 1002 por lote (2 láminas)

Modelo 2
Datos de la pieza
Descripción Protector de cilindro redondo
parte interna (Variante 2.1)

Cantidad 1 por par

Producción 403 por lote (1 lámina)

Datos de la pieza
Descripción Protector de cilindro redondo
parte externa (Variante 2.2)

Cantidad 1 por par

Producción 403 por lote (1 lámina)

Modelo 3
Datos de la pieza
Descripción Protector de cilindro redondo
parte interna y externa (Variante
3)
Cantidad 1

Producción 403 por lote (1 lámina)

Espesor 0.75 mm
Material Acero laminado en frio ASTM A366
 Tabla x1. Especificaciones de la pieza.

En cada una de las variantes de la pieza se puede detallar que existen tres
operaciones de troquelado diferentes (perforado, recortado y embutido), estas a su vez
poseen geometrías diferentes que se repiten e intercambian dependiendo del modelo.
De acuerdo a lo observado y a que las piezas se pretenden fabricar mediante un
sistema que permita re – utilizar componentes, se optara por diseñar juegos de
punzones y matrices intercambiables, tres de perforado, dos de recortado de silueta, y
dos de embutido. Haciendo la combinación adecuada de estos componentes se podrá
obtener cada una de las variantes de la pieza a fabricar.

Recorte de silueta
Embutido

Perforación

Fig x. Identificación de operaciones de troquelado en la pieza.

Selección del proceso de fabricación:

Las primeras dos operaciones son procesos de corte que pueden realizarse
secuencialmente a través de una tira de material continuo, sin embargo, el embutido
por la diferencia en las características de la operación y debido a que al finalizar los
procesos de corte la pieza queda reducida a un recorte separado del fleje, no es
posible incorporarlo a un sistema continuo. Es por esta razón que se dividirán las
operaciones de corte (perforado y recortado), y formado (embutido), en sistema de
matrices diferentes en el mismo troquel. (figX1)
 La pieza cae y no se puede continuar
con un proceso continuo

Fig x1. División de las operaciones de troquelados.

Para fabricar grandes lotes de piezas de chapa existen dos alternativas principales:

Matriz simple: es una matriz que ejecuta una sola fase de un proceso productivo, por
lo que si hay varias fases, tendrá que haber tantas matrices simples como operaciones
a realizar.
Ventajas:
1. Fácil diseño
2. Baja inversión económica
3. Posibilidad de reutilización de la matriz
Inconvenientes:
1. Difícil automatización del proceso
2. Mayor mano de obra
3. Necesidad de varias matrices simples
4. Menor producción

Matriz progresiva: matriz hecha para ejecutar automáticamente y simultáneamente

las diferentes fases de un proceso. La fabricación de piezas mediante estas matrices se
efectúa a partir de una tira de material continua, que entra por un costado de la matriz
y va avanzando por el interior donde se ejecutan las operaciones por etapas hasta
obtener la pieza final.
Ventajas:
1. Fácil automatización del proceso de fabricación
2. Reducción de la mano de obra
3. Mayor producción
Inconvenientes:
1. Mayor complejidad en el diseño
2. Coste elevado

Al ser una producción por lotes y tener la posibilidad de trabajarse por un

sistema continuo durante las operaciones del proceso de corte, se usara una matriz
progresiva de corte para este caso. Para el proceso de formado por embutido al ser
solo una operación y tratarse de un recorte de chapa individual se diseñara una matriz
simple.

Matriz de corte:

Componentes de la matriz progresiva

A continuación se nombran los componentes principales que van a formar parte
de la matriz progresiva y en el Capítulo 4 se detallan de forma exhaustiva:
- Placa base inferior
- Matriz
- Placa pisadora
- Placa porta punzones
- Placa base superior
- Guías de banda o fleje
- Punzones de corte
 - Columnas guía
- Casquillos guía
- Topes guía
- Muelles
- Vástago
- Tornillos
- Pasadores

Etapas del proceso de corte de la pieza:

De acuerdo a la naturaleza continua y secuencial del proceso de corte

progresivo de chapa en troqueles, el orden más conveniente para la ejecución de las
operaciones será en primer lugar el perforado y finalmente el recortado.

Etapas:
1) La tira de chapa a cortar se desliza sobre la matriz en la posición correcta
mediante la implementación de un tope manual.
2) Se procede a la ejecución de la operación de perforado correspondiente a la
pieza, y un agujero de posicionamiento diseñado para ubicar de forma precisa
la chapa en la siguiente operación.
3) En la tercera etapa se retira el tope manual y se desliza la chapa hasta que el
agujero de posicionamiento encaja con el piloto.
4) Al accionar la prensa la presión del punzón recorta el contorno de la pieza que
es desalojada a través del agujero de la matriz.

Fig x3 (dibujo de las etapas en la chapa)

Calculo de las fuerzas producidas en un proceso de corte de chapa:

El corte de chapa se produce por la acción de una fuerza generada por la

prensa sobre una matriz, es por ello que para un correcto desarrollo del diseño de sus
componentes es imprescindible conocer los principales factores que intervienen en
dicho proceso.
Los esfuerzos a considerar por el corte de chapa son:
- Fuerza de corte
- Fuerza de extracción
- Fuerza de expulsión

Fuerza de corte (Pb):

Es la fuerza necesaria para lograr separar una sección del material de una tira de
chapa mediante un punzón, y depende de las propiedades del material, sus
dimensiones y espesor.

Ecuación (x). Oheler Kaiser 6ta Edición p25

Dónde:
Pb: es la fuerza necesaria para el corte, en kgf
Tb: es la resistencia al corte de la chapa, en kgf/mm2
L: es la longitud de las aristas de corte (perímetro del agujero cortado), en mm
s: el espesor de la chapa (0.75mm)

Con relación a la resistencia a la cortadura Tb se han llevado a cabo

numerosos ensayos y por lo general se toma como valor el 80% de la resistencia a la
rotura o al desgarramiento σb. Teniendo en cuenta el resultado de ensayos oficiales y
de algunos realizados por Oheler Kaiser, se ha confeccionado la adjunta tabla x con
los valores Tb más usuales en la práctica, aunque los valores no son inamovibles ya
que existe una dependencia lineal entre la resistencia a la cortadura y el logaritmo de
la relación d/s entre el diámetro del agujero y el espesor de la chapa.

Según ello, es válido:

Tb = 0.8 σb sólo para d/s ≥ 2

Tb = σb para d/s = 1
Tb > σb para valores menores de d/s

Tabla x. Resistencia al corte de algunos materiales. Oheler – Kaiser 6ta Edición p25.

En este caso como el diámetro del agujero es mucho mayor que el espesor de
la chapa (d/s > 2) se tomaran en cuenta los valores del 80% de σb (tomado de la tabla
Y de propiedades mecánicas del acero laminado en frio ASTM A366/ DC01/ St 12,
con σb = 410N/mm2; 41.81Kgf/mm2).

Por lo que:

Tb = (0.8) x (41.81) = 33.45Kgf/mm2 (328N/mm2)

 Para la pieza a fabricar se determina que, por cada variante de ésta (tabla x)
existe un valor (Pb), ya que la combinación de punzones cambia en cada una de ellas
lo que provoca que se necesite un esfuerzo diferente para producir el corte:

Perforación Piezas 1.1 y 2.1

Perforación Piezas 3
Perforación Piezas 1.2 y 2.2

Silueta piezas 2.1, 2.2 y 3

Silueta piezas 1.1 y 1.2

Fig x4. Diferentes perforaciones y recortes producidos en las variantes de la pieza.

Pieza 1.1
 Perímetro 1: perforación = 86.6764mm
 Perímetro 2: silueta = 248.4956m
(Perímetros obtenidos del programa AutoCAD comando AREA)
 El valor L se obtiene sumando los 2 perímetros producidos en la pieza 1.1
L = (86.6764) + (248.4956) = 335.172mm
Fuerza de corte pieza 1.1:
Pb1.1 = (33.45) x (335.172) x (0.75) = 8408.63Kgf (82.46KN)

Pieza 1.2
 Perímetro 1: perforación = 53.4071mm
 Perímetro 2: silueta = 248.4956m
L = (53.4071) + (248.4956) = 301.9027mm
Pb1.2 = (33.45) x (301.9027) x (0.75) = 7573.98Kgf (74.28KN)

Pieza 2.1
 Perímetro 1: perforación = 86.6764mm
 Perímetro 2: silueta = 235.6194mm
L = (86.6764) + (235.6194) = 322.2958mm
Pb2.1 = (33.45) x (322.2958) x (0.75) = 8085.60Kgf (79.29KN)

Pieza 2.2
 Perímetro 1: perforación = 53.4071mm
 Perímetro 2: silueta = 235.6194mm
L = (53.4071) + (235.6194) = 289.0265mm
Pb2.2 = (33.45) x (289.0265) x (0.75) = 7250.95Kgf (71.10KN)

Pieza 2.3
 Perímetro 1: perforación = 78.5398mm
 Perímetro 2: silueta = 235.6194mm
L = (78.5398) + (235.6194) = 314.1592mm
Pb2.3 = (33.45) x (314.1592) x (0.75) = 7881.47Kgf (77.29KN)

Adicionalmente para el punzón del agujero de posicionamiento:

Perímetro: perforación = 15.7080mm
Pbp = (33.45) x (15.7080) x (0.75) = 394.07Kgf (3.86KN)

Estos valores corresponden a la fuerza mínima necesaria para que se produzca

el corte para cada variante de la pieza y se utilizara con el fin de evitar que se
produzcan fallas en el diseño y para corroborar que la prensa a utilizar tenga la
capacidad de realizar el trabajo.
Fuerza de extracción (Pext):
Es la fuerza que se requiere para separar el trozo de chapa que se adhiere al
punzón una vez efectuado el corte. La fuerza de extracción se puede aproximar a un
10% de la fuerza de corte:

Pe = Pb x 0.1

La fuerza de extracción de cada variante de la pieza será:

Pext1.1 = 840.86Kgf (8.25KN)
Pext1.2 = 757.40Kgf (7.43KN)
Pext2.1 = 808.56Kgf (7.93KN)
Pext2.2 = 725.10Kgf (7.11KN)
Pext2.3 = 788.15Kgf (7.73KN)
Punzón de posicionamiento: Pextp = 39.41Kgf (0.39KN)

Fuerza de expulsión (Pexp):

Es el esfuerzo adicional que produce el recorte resultante del troquelado al quedar
adherido dentro de la matriz y oponerse en la siguiente operación al esfuerzo de corte,
esta representa un 1.5% del valor de la fuerza de corte:

Pexp = Pb x 0.015

Por lo que:
Pexp1.1 = 126.13Kgf (1.24KN)
Pexp1.2 = 113.61Kgf (1.11KN)
Pexp2.1 = 121.28Kgf (1.19KN)
Pexp2.2 = 108.76Kgf (1.07KN)
Pexp2.3 = 118.22Kgf (1.16KN)
Punzón de posicionamiento: Pexpp = 5.91Kgf (0.06KN)

Proyección de la tira o fleje de corte

A continuación debe ser diseñada la tira de material tal y como aparecerá

después de que hayan sido realizadas en ella todas las operaciones de corte, ya que
esta servirá de base para establecer las dimensiones y geometría de la matriz,
punzones, y otros elementos del conjunto.

Las separaciones mínimas de los bordes y entre piezas recomendadas se

especifican en la figura x5 para láminas de menos de 3/64” (1.19mm) de espesor.

Fig x5. Separaciones mínimas de la tira de recorte, Paquín p86

Por seguridad ya que se estos valores son mínimos, para los bordes se tomara una
distancia de 1.5 veces el espesor de la chapa para ambas tiras:

A = 1.5 x 0.75 = 1.125mm

A: Separación mínima en la tira

Los requerimientos de diseño especifican el uso de matrices intercambiables,

como consecuencia el espacio entre los casquillos matriz de perforación y recorte
influirá en el espacio entre piezas para la tira de material.

Debido a las formas geométricas de la pieza a fabricar (Tabla X), lo más

recomendable es utilizar una disposición simple, que puede ser horizontal o vertical.
Las tiras para piezas con silueta circular no cambian su dimensión en ningún sentido
en el que se dispongan, por lo que ésta siempre será de ancho constante (Fig x6); sin
embargo las de forma ovalada pueden ser colocadas en sentido horizontal en cuyo
caso es necesario que el fleje sea ancho o pueden ser colocadas en sentido vertical lo
que permite el uso de una tira más estrecha (Fig x7). Para ambos casos la longitud de
las tiras será igual a la longitud del material de 2400mm de largo.

Espacio entre matrices

Fig x6. Disposición 1, silueta ovalada en posición vertical.

 Espacio entre matrices

Fig x7. Disposición 2, silueta ovalada en posición horizontal.

Se elige la disposición que resulte en un mejor aprovechamiento del material y

mayor producción, esto dependerá de varios factores que se pueden comparar como,
las piezas por fleje, piezas por lámina, piezas por lote, y la relación entre la superficie
de la pieza cortada y la superficie de la sección de fleje usada por esta (fig x8). Para
comparar las variables se usa una hoja de cálculo Excel (tabla x).

Área de la pieza
Área de la sección de
tira usada por la pieza

Fig x8. Áreas en la tira de material.

 Tabla x.Ccalculos en excel (Área obtenida del programa AutoCAD comando AREA).

De acuerdo a estos resultados la disposición del recorte de la pieza en el fleje más

conveniente es la disposición 1, ya que posee un mejor rendimiento promedio y un
mayor número de piezas producidas por lámina y lote.

Diseño del conjunto de la matriz

Es el componente que lleva las aberturas correspondientes al corte y

perforado, es decir, los agujeros donde entran los punzones para realizar la operación.
De acuerdo al tamaño y geometría de la pieza a cortar, así como los requerimientos
del diseño, esta puede ser única, segmentada o por casquillo. La forma de los agujeros
y su posición corresponden a la de los punzones por lo que el plano superior de esta
debe estar perfectamente rectificado y sin melladuras, de ello depende la fabricación
de un producto en óptimas condiciones.

Siguiendo los lineamientos de reutilización de componentes establecidos por

los requerimientos de diseño en la fabricación de las distintas variantes de la pieza, se
utilizara un conjunto de matrices casquillo y porta matriz, ya que en una placa porta
matriz pueden introducirse casquillos con orificios internos de forma variada pero
geometría externa constante (fig x10).

Fig x10. Ejemplo de casquillo y porta matriz.

Diseño de las matrices casquillo:

Se proyectan en una placa los planos de cada variante de la pieza sobre la tira
de material correspondiente, y luego se dividen según el tipo de operación de corte
usada en estas (fig x11). En las formas obtenidas por las proyecciones hechas a cada
operación de corte se denotan los agujeros de matriz de cada variante, y se traza un
objeto de geometría básica (en este caso un circulo) con longitud o diámetro superior
a la distancia entre sus extremos, esta formara la parte externa de la matriz casquillo
que será la misma para todas éstas; la diferencia entre estas distancias debe ser la
mínima necesaria para que el casquillo tenga una estructura estable. El resultado
serán las formas y dimensiones preliminares de cada casquillo de recorte y perforado,
además de la distancia de separación entre sí.

Fig x11. Proceso para la obtención de las dimensiones de los casquillos matriz.

Espesor: Para espesores de matrices las recomendaciones de Paquín (P. 92) según el
grosor de la chapa a trabajar se muestran en la Tabla x. En este caso con un grosor de
lámina de 0.75mm usaremos un espesor para matriz de 23mm.
 Tabla x. Espesores recomendados para matrices Paquín P. 92.

Espacio u holgura: Es el juego entre punzón y matriz que determina la dimensión

exacta de éstos. Cuando el trozo de material cortado se desprende de la matriz como
desecho, el espacio debe aplicarse a la matriz y el punzón mantendrá el tamaño
nominal de la pieza; del mismo modo si el trozo de chapa cortado es la pieza a
utilizar, y la tira el desecho, la abertura de la matriz debe ser del tamaño nominal y el
espacio debe aplicarse al punzón. Evidentemente el punzón siempre debe ser de
menor dimensión que el agujero.

Los espacios típicos en el prensado fluctúan entre el 4 y 8% del espesor del material
(e), pero para mayor precisión el que se recomienda se puede calcular mediante la
fórmula siguiente:

C = Ac . e
Ecuación x. Mikell P. Groover (P. 443)

Dónde:
C: espacio, mm
Ac: tolerancia del espacio
e: espesor del material, mm
La tolerancia se determina de acuerdo con el tipo de material; según la tabla x para
acero laminado en frio de dureza media Ac = 0.075.

Tabla x. Valor de las tolerancias para los tres grupos de láminas metálicas
Mikell P. Groover (P. 444)

El espacio u holgura entre matriz y punzón corresponde a

C = (0.075) x (0.75) = 0.06mm

El contorno de los agujeros en las matrices de perforado se aumenta de

manera equidistante en 0.06mm, mientras que en las de recortado permanecen con las
dimensiones nominales de cada pieza. Para que las formas o la pedacería caigan a
través del troquel, la abertura de éste debe tener una parte cilíndrica recta de 1/8”
(3.175mm) denominada “vida”, después de la cual lleva un espacio angular de
mínimo 0.25º de cada lado (Paquín P. 93); por otra parte los casquillos tienen una
sección recta para facilitar su fijación a la placa porta matriz y evitar el giro.
 Fig x12. Angulo de expulsión, vida y holgura.

Para la fabricación de las matrices casquillo se ha seleccionado, por su versatilidad,

resistencia mecánica uniforme y tenacidad a bajo costo, acero de medio carbono
grado maquinaria SAE 1045 templado en aceite.

Fig x13. Modelo 3d de las matrices casquillo.

Diseño de la placa porta matriz:

Para obtener las dimensiones se proyectan sobre una placa las matrices de
recorte y perforado con mayor diámetro de abertura, transando dos rectas tangentes al
exterior de sus lados más lejanos, a las cuales se agrega la distancia mínima que debe
haber de un agujero a la cara exterior de la placa que es 1.125 veces el grosor de la
misma (Paquín p.91). El mecanizado de las perforaciones de encaje para los
casquillos será de iguales dimensiones; le seguirá en la misma ubicación otro
mecanizado que servirá de borde de retención y agujero de expulsión, con diámetro
1mm mayor a la longitud del orificio de la matriz (Fig x14). Se agrega un orificio
para el punzón piloto (con una parte cilíndrica recta de 3.175mm un espacio angular
de mínimo 0.25º de cada lado), y una ranura para los topes manuales.

Fig x14. Demostración de proyecciones

 Para esta placa se utilizara por su versatilidad, tenacidad a bajo costo, acero de
bajo carbono SAE 10420 cementado para evitar desgastes por el impacto del pisador,
de 30mm de espesor rectificado en la cara de corte.

Fig x15. Modelo en 3d de la placa porta matriz

Fig x16. Modelo en 3d del ensamble del conjunto matriz y placa porta matriz

Diseño de los punzones

Los punzones son los principales elementos activos en los troqueles y son los
que definen el contorno de la pieza a cortar, por lo que se diseñan a partir de esta.

En la matriz de corte diseñada hay 5 punzones distintos, 4 de perforación

(incluyendo el de posicionamiento) y 2 de recorte de silueta. Todos los punzones
estarán hechos de acero para herramientas AISI O1 templado en aceite, rectificado y
pulido en toda su superficie, debido a su buena combinación de alta dureza superficial
y tenacidad lo que lo hace ideal para operaciones de trabajo en frio para chapa
delgada.

Punzones perforadores:
Son los punzones que perforan los agujeros en la tira de material y suelen ser
el eslabón más débil en el diseño de un troquel.

Punzón de posicionamiento: Perfora un agujero de 5mm diámetro en una ubicación

que permita su funcionamiento en los dos tipos de tiras de corte (fig x17), con la
finalidad de que en el siguiente paso encaje en el piloto centrador y ubique la chapa
en su posición de recorte. Tiene una cabeza cónica de diámetro 1/8” (3.175mm)
mayor al del punzón y 3/16” (4.762mm) de largo. Este punzón es el más débil debido
a su diámetro por lo que su longitud máxima influirá en los demás punzones.

Fig x17. Espacio para ubicación del punzón de posicionamiento.

Por lo general, conviene mantener una longitud máxima de 60 mm en todos

los punzones delgados sin camisa protectora, pero para evitar roturas ha de efectuarse
algunos cálculos de comprobación. Debido a su forma de trabajar, los punzones están
sometidos a un esfuerzo de pandeo igual a la fuerza de corte o cizalladura que
realizan (Pb), por lo que:

Formula de Longitud máxima del punzón Oheler – Kaiser P.30.

O lo que es igual a

Dónde:
Lmax: longitud máxima del punzón, mm
E: módulo de elasticidad, 21500kg/mm2 para aceros de herramientas templado
(Oheler – Kaiser P.29)
I: momento de inercia, para una sección circular maciza, I = (π . d^4) / 64
d: diámetro del punzón, 5mm
Fc = Pbp: fuerza de corte del punzón de posicionamiento, 394.07Kgf

Por lo que
I = 30,6796mm4
Sustituyendo en la ecuación anterior se obtiene la longitud máxima del punzón de
posicionamiento:

Lmax = 128.53mm

Lo que se puede confirmar en la tabla x.

Tabla x. Longitudes máximas de punzones Oheler – Kaiser p.30.

Por el poco esfuerzo experimentado debido al espesor de la chapa a trabajar,

la longitud máxima que se puede usar es relativamente grande, sin embargo para este
diseño se elegirá la medida recomendada por Oheler Kaiser común en punzones
normalizados de 60mm, en donde el punzón sobresalga 40mm de la placa porta
punzones y se pueda ahorrar acero de herramientas.

Fig x18. Modelo 3d del punzón de posicionamiento

Punzón de geometría compuesta: Punzón de resalto cuya forma es igual a la de las

perforaciones en las variantes 1.1 y 2.1 de la pieza, con una longitud de 33 mm que se
prolonga hasta 1/3 de su extensión total. Un cuerpo cilíndrico a continuación de
diámetro 3/16” (3.175mm) por encima del diámetro de la sección de corte ajusta
forzado en la placa porta punzones. El resalto en su extremo de diámetro 1/8”
(3.175mm) mayor al anterior y 3/16” (4.762mm) de largo, tiene una cara plana para
evitar giros debido a su geometría no circular. El radio del codo que conecta los
diámetros A y B en los punzones de resalto (fig x19) debe ser lo más grande posible
para evitar fallas (Paquín P.111).

Fig x19. Punzones de resalto (Paquín P. 111), y fallas por ángulos muy agudos (Oheler - Kaiser).

Fig x20. Modelo 3d del punzón de geometría compuesta.

Punzón cilíndrico grande: En la cara de corte posee una forma igual a la de la

perforación de la variante 2.3 de la pieza, y una circunferencia de diámetro 25mm que
se prolonga 1/3 de su longitud total. Un resalto escalonado que se extiende hasta la
intercepción con la placa porta punzones ayuda a igualar de forma gradual las
dimensiones de resalto del punzón de geometría compuesta, con el objetivo de usar la
misma placa porta punzones para ambos (Fig x21).

Fig x21. Plano del resalto escalonado.

Fig x22. Modelo 3d del punzón cilíndrico grande.

Punzón cilíndrico pequeño: Punzón cuya superficie de corte tiene la forma de las
perforaciones en las variantes 1.2 y 2.2 de la pieza, con una circunferencia de
diámetro 17mm, que se extiende a una longitud de 40mm sobre el espesor de la placa
porta punzones. Un resalto deslizante en su extremo de diámetro 1/8” (3.175mm) por
encima del anterior y 3/16” (4.762mm) de largo proporciona el ajuste necesario. Este
punzón se alojara en la placa porta punzones del conjunto de embutido para ahorrar
costos, y debido a que las aberturas para los punzones de mayor tamaño se encuentran
en la misma ubicación que éste pero son mucho más grandes (Fig x23).

Fig x23. Plano de comparación de la cabeza del punzón cilíndrico pequeño con los grandes.

Fig x24. Modelo 3d del punzón cilíndrico pequeño.

Punzones recortadores:
Son los punzones que cortan la silueta de la pieza en la tira de chapa, sus
dimensiones son más grandes que lo punzones de perforación, y corresponden a las
del contorno de la pieza con una disminución respecto a ésta igual al espacio u
holgura de corte calculado anteriormente (formula X). No se aplicaran punzones de
resalto ya que al contar con una mayor área de apoyo se pueden ajustar directamente
en la placa porta punzones con tornillos y clavijas de fijación, a través de una sección
de amarre de geometría básica y diámetro ligeramente mayor al del punzón. La
longitud de estos será de 40mm, y el tratamiento térmico aplicado al acero será solo
en la punta de corte para facilitar una fijación ajustada.

Fig x25. Punzones rebordeados con sección de amarre.

Punzón circular: Un punzón de geometría circular de tamaño medio que en su

sección de corte corresponde a las medidas de las variantes 2.1, 2.2 y 2.3 de la pieza a
fabricar menos la holgura. Un rebordeado en su extremo superior de 10mm con forma
circular y diámetro 1/8” (3.175mm) mayor al de la parte inferior, facilita su fijación a
la placa porta punzones.

Fig x26. Modelo 3d del punzón de recorte circular

Punzón ovalado: De forma ovalada y dimensiones correspondientes a las variantes

1.1 y 1.2 de la pieza menos la holgura. Un rebordeado rectangular de 10mm de
longitud y ancho 1/8” (3.175mm) por encima de la parte inferior, facilita su fijación a
la placa porta punzones en la misma posición de que el punzón circular de recortado.

Fig x27. Modelo 3d del punzón de recorte circular

Fig x28. Modelo 3d del ensamble con los punzones de recorte añadidos

Diseño de la placa porta punzones

Es el componente donde se encuentran alojados y retenidos los punzones,

determinan su correcta posición, y, proporcionan rigidez y dirección a su
desplazamiento. Se dimensionan a partir de los punzones.

Para determinar las dimensiones se proyectan el plano de los punzones en sus

posiciones de ensamble sobre una placa y se agrega a cada lado la distancia
recomendada por Paquín para el espacio de una abertura al exterior de una placa que
es de 1.125 veces su espesor (Fig x29).

Fig x29. Planos de los punzones proyectados en la placa.

Para la placa porta punzones en cuestión debido a sus características de

trabajo y los bajos niveles de esfuerzo en el conjunto, se utilizara acero estructural
ASTM A-36 ya que presenta buena maquinabilidad y tenacidad, además de su
distribución casi universal en el mercado y precio competitivo. Es recomendable que
la placa porta punzones tenga un espesor de aproximadamente 1/3 de la longitud de
los punzones, por lo que se ha considerado de 20mm rectificada de la medida
estándar comercializada de 22mm. Se deben mecanizar los orificios respectivos a
cada uno de los punzones y sus cuñas de alineación.

Fig x30. Modelo 3d del ensamble con la placa porta punzones añadida

Diseño de la placa sufridera:

Está ubicada entre la placa superior y porta punzones, con la finalidad

absorber los impactos producidos por el proceso de troquelado, evitando el recalcado
o clavado de los punzones en éstas lo que puede causar deterioro. Para perforar chapa
delgada es suficiente una placa intermedia de 3 mm de espesor, de acero moldeado,
templada y rectificada no ha de ser demasiado dura, bastando, por lo general un acero
de 60 kgf/mm2 de resistencia. De dimensiones iguales a la placa porta punzones, en
ella se realiza el mecanizado de los elementos de fijación.

Fig x30. Modelo 3d de la placa sufridera.

Fig x31. Modelo 3d del ensamble del conjunto inferior.

Diseño del conjunto de extracción o expulsión:

El conjunto de extracción tiene como funciones, guiar los punzones durante la

operación de corte, retener la chapa para mantenerla sujeta y firme, y facilitar la
extracción de la chapa adherida a los punzones. Los expulsores de muelle se deben
utilizar cuando entre otras condiciones:
- El material que se va a recortar o perforar es muy delgado con el fin de evitar
cortes desiguales y bordes redondeados.
- Cuando se requieran piezas de superficie sin deformaciones.
- Se requiera mayor visibilidad.

Placa pisadora:
Puesto que una de sus funciones es guiar a los punzones, deberán mecanizarse
en ella los orificios por donde se desplazaran los punzones, por lo que se diseñara 1
placa por cada combinación de punzones requerida, en otras palabras, una placa por
cada variación de la pieza a fabricar.

Para obtener las dimensiones, se proyecta sobre los planos del ensamble del
conjunto inferior, una placa, cuyo ancho estará dado por la distancia entre los
extremos de las reglas guía más anchas, y la longitud por la proporción de 1.125
veces el espesor (fig x32). La placa resultante se reproduce para las cinco variantes de
la pieza, en cada una de los cuales se han de mecanizar los orificios correspondientes
a los punzones usados en ella y los componentes que sobresalen de la placa inferior
(fig x33), el espesor mínimo de la placa deberá superar al de las reglas guía por lo que
se selecciona un espesor de 10mm. Los punzones se adentraran dentro de la placa
para ser guiados.

Fig x32. Proyección del conjunto inferior en la placa.

Fig x33. Modelo 3d de las cinco placas pisadoras

Cuando los mecanizados en la placa han de ser complicados, estas deben estar
hechas de acero grado maquinaria (Paquín P. 161). Para este caso, se usara acero
grado maquinaria de medio carbono SAE 1045 sin tratamiento térmico.
Muelles del pisador:
Los muelles tienen que soportar un esfuerzo, que es la fuerza de extracción ya
calculada de los punzones que se quedan adheridos al material. Usaremos la de mayor
magnitud, que es de:

Pext1.1 = 840.86Kgf (8.25KN)

Este esfuerzo se tendrá que repartir entre 6 muelles que se colocaran de forma
simétrica para distribuir uniformemente el esfuerzo, por lo tanto, cada muelle tendrá
que soportar:

Pmuelle = (840.86) / 6 = 140.14Kgf (1374.30N)

Los fabricantes recomiendan que los muelles sean sometidos a una precarga
superior al 5% de su longitud para evitar circunstancias que pudieran adelantar
considerablemente la rotura del muelle. En vista de que el punzón debe estar dentro
de la placa pisadora, la longitud de los resortes después de la precarga debe ser mayor
de 30mm y menor a 40mm (Fig x34). Las medidas comerciales más cercanas son de
32mm ~ 30mm con precarga y 38mm ~ 35.5mm con precarga, por lo que se tomará
esta última. La distancia que recorrerá la placa porta punzones respecto de la pisadora
será igual a la penetración del punzón más el espesor de la chapa (3.925 mm), por lo
que los muelles se comprimirán esa distancia más la precarga. La compresión de cada
muelle será de 6.425mm. Para encontrar el muelle adecuado habrá que encontrar la
constante (k) muelle necesaria y asegurarse de que la compresión del muelle no
supere la deflexión máxima establecida por el fabricante.

Fig x34. Plano de la explicación.

Para encontrar la constante k necesaria se utilizará la siguiente ecuación:

Pmuelle = k . Δx
(Ley de Hooke)

Dónde:
Pmuelle: fuerza que tiene que soportar el muelle, 1374.30N
k: constante elástica de muelle
Δx: compresión del muelle, mm

Se obtiene que:

k = (Pmuelle) / Δx = 279.05N/mm

Por lo que se deberá usar un muelle de 38mm de largo, deflexión máxima superior a
6.425mm, y con constante (k) que se aproxime a 279.05N/mm.

Fig x35. Modelo 3d del ensamble con el conjunto de expulsión añadido.

Diseño de elementos guía

Son los elementos que permiten posicionar y guiar la tira o fleje de material en
la ubicación correcta dentro de la matriz para desarrollar el proceso de corte con
precisión.

Para el guiado de los flejes de la pieza, se implementaran un piloto de

posicionamiento, un tope manual y un par de reglas guía; este último con una
variación intercambiable dependiendo del ancho de fleje. Se fabricaran en acero AISI
1020 calibrado y cementado para evitar desgastes causados por el contacto con la tira
y los elementos activos del troquel.

Piloto:
Permite posicionar la tira de material en la posición correcta para el recorte de
silueta efectuado en la segunda estación de corte, y se ubicara en la zona de material
desperdiciado. Debido al poco espacio, y al aspecto intercambiable del diseño
general, el piloto deberá ser de diámetro reducido (5mm en este caso) y estará
ubicado en un espacio que permita su uso en las dos dimensiones de chapa utilizadas
(fig x36). Ajusta forzado en una perforación sobre los casquillos matriz.
.
Fig x35. Modelo 3d del piloto de posicionamiento.

Reglas guía:
Guían longitudinal y transversalmente la tira a través de cada estación de
corte, y existe un par para cada ancho de chapa usado, con longitud igual a la placa
porta matriz. Su espesor debe ser al menos dos veces mayor al de la chapa para
garantizar su retención ante posibles curvaturas, y de dimensiones comerciales, ya
que de esta forma el mecanizado se limita únicamente a cortar y perforar. Para este
caso serán de 3/4x3/16” para la tira estrecha y 1x3/16” para la ancha.

Fig x36. Modelo 3d de las reglas guía.

Tope guía:
Es usado para el posicionamiento de la tira en sentido longitudinal en el
primer corte, para después poder quitarse completamente para el paso de la misma.
En este caso se usara un tope manual deslizante a través de un mecanizado en la placa
porta matriz y la regla guía. En operación debe prolongarse al menos hasta el 10% de
la tira más estrecha, y sobresalir al menos el doble del espesor de la chapa de material
con el fin de retenerla. Debe tener un espacio adicional para su sujeción, y al igual
que las reglas guía se usaran dimensiones comerciales para ahorrar tiempo y costos,
por lo que será de 1/2x3/16” y 60mm de largo, sobresaliendo la mitad de su espesor
desde la placa porta matriz.

Fig x37. Modelo 3d del ensamble con los elementos guía añadidos.

Diseño del conjunto porta troquel

El porta troquel o die set es la base donde se ensamblan todos los elementos
del diseño y permite el desplazamiento del conjunto por acción de la prensa.

Para su fabricación se usara acero estructural ASTM A36 que es el más

común para porta troqueles y presenta buena maquinabilidad, soldabilidad, tenacidad,
además de una distribución y precios competitivos en el mercado, por otro lado
normalmente se corta por medio de pantógrafo por el bajo costo, rapidez y la poca
precisión que los laterales de un porta troquel necesitan. Para obtener sus
dimensiones, se proyectan los elementos diseñados en sus posiciones de ensamblaje,
y partir de esas medidas se selecciona un conjunto con dimensiones normalizadas por
un proveedor. En este caso como el troquel se usará tanto para las operaciones de
corte como para las de formado y en esta última se necesita una visualización y
espacio de trabajo mayor, se seleccionara un porta troquel de dos columnas de
250x250mm 23mm de espesor y espacio libre para la matriz de 250x184mm, con
columnas de acero aleado para cementación AISI 8620 y bujes de acero aleado para
temple y revenido AISI 4340. Llevará un maquinado rectangular para el desecho del
material cortado.

Fig x37. Modelo 3d del ensamble con el porta troquel añadido

 Matriz de formado:

Componentes de la matriz simple

A continuación se nombran los componentes principales que van a formar parte
de la matriz simple y en el Capítulo 4 se detallan de forma exhaustiva:
- Placa base inferior
- Matriz
- Placa pisadora
- Placa porta punzones
- Placa base superior
- Punzón de embutido
- Columnas guía
- Bujes guía
- Topes guía
- Muelles
- Vástago
- Tornillos
- Pasadores

Etapas del proceso de formado por embutido:

Etapas:
1) El recorte de chapa listo para embutir se posiciona sobre la matriz en la
ubicación correcta mediante la implementación de un mecanizado que sirve
de tope.
2) Se procede a la ejecución de la operación de embutido correspondiente a la
pieza.
3) En la tercera etapa el punzón retorna a su posición mientras un expulsor
inferior de muelle devuelve a la pieza a la superficie para ser desalojada
manualmente de la matriz.