La holgura entre punzón y matriz en barra de cobre y aluminio

La holgura es el hueco entre el filo de corte del punzón y el filo de corte de la matriz. Es un único número, es fácil de equivocar y, en barra colectora, se equivoca más a menudo que ningún otro parámetro de utillaje. La mayor parte de la orientación publicada se escribió para estampación de chapa de 1-3 mm; la barra colectora son de 6 a 20 mm de cobre blando, dúctil y que endurece por deformación. Los porcentajes se trasladan. Las consecuencias no.

Existen dos convenciones y difieren en un factor de dos. La holgura total es la diferencia entre la abertura de matriz y la dimensión del punzón. La holgura por lado es la mitad de eso, el hueco radial en cualquier punto del perímetro. Una tabla de proveedor que dice «cobre, 20 %» y un taller que trabaja al 10 % pueden estar describiendo un utillaje idéntico. Establezca qué convención emplea una cifra antes de compararla con nada. Este artículo usa por lado en todo momento y convierte las fuentes citadas cuando hace falta.

Qué le está diciendo el canto de corte

Un agujero punzonado en barra colectora tiene cuatro zonas, visibles en la pared del agujero y reflejadas en el recorte. Leerlas es el diagnóstico más rápido que usted tiene, y no cuesta nada.

El redondeo del borde de entrada está en la cara por la que entra el punzón, donde el material plastifica y es arrastrado hacia el agujero antes de cortarse, dejando un labio redondeado. La profundidad de ese redondeo crece con la holgura, con la falta de filo de la herramienta y con la blandura del material, así que no es un defecto por sí solo. En cobre recocido siempre se ve.

La banda bruñida es la franja brillante que hay bajo el redondeo, donde la pared del agujero fue frotada por el flanco del punzón. Es lisa y recta y, dimensionalmente, es el agujero. La guía de utillaje de Dayton Lamina describe la holgura óptima como aquella que produce un recorte con una banda bruñida de aproximadamente un tercio del espesor del material y un plano de fractura uniforme alineado con ella, lo que funciona también como regla de aceptación en barra colectora.

La fractura es el resto mate y basto. Va en ángulo porque la fisura viaja del filo del punzón al filo de la matriz, y la holgura fija ese ángulo. Una superficie de fractura recta, uniforme y continua con la banda bruñida significa que las dos fisuras se encontraron. Ese es todo el objetivo.

La rebaba está en la cara de salida del punzón: el último ligamento de material que se alarga y desgarra en lugar de cizallarse. La altura de rebaba sube con la holgura, con el desgaste del filo y con la blandura.

Dos firmas de fallo importan más que las demás. Una banda de cizallado secundaria, es decir, un segundo anillo bruñido a media altura de la pared con un escalón entre ambos, dice que la fisura del punzón y la de la matriz no se encontraron en el mismo plano y que el material entre ellas tuvo que cizallarse dos veces. Eso es poca holgura. Un redondeo grande con una rebaba fina y desgarrada y una banda bruñida muy corta es demasiada holgura.

Guarde un recorte de cada juego de herramientas nuevo, etiquetado con material, espesor y holgura. Comparar un recorte sospechoso con uno que se sabe bueno lleva quince segundos y zanja la mayoría de las discusiones sobre si hay que reafilar una herramienta o si la holgura está mal.

La holgura como porcentaje del espesor, por lado

La expresión de trabajo es:

c = k × t          (holgura por lado, mm)
abertura de matriz = tamaño de punzón + 2c

donde t es el espesor del material y k la relación de holgura. Para barra colectora de cobre, k está en una banda del 5 al 12 % por lado. Por debajo del 5 % se entra en cizallado secundario y daño térmico. Por encima del 12 % aproximadamente en barra gruesa, el redondeo y el control del recorte empiezan a dominar. En torno al 10 % por lado es la cifra de trabajo habitual, y es donde aterrizan la mayoría de los proveedores de utillaje para barra semidura.

La banda, calculada para los espesores que aparecen en aparamenta:

Así que el cobre de 6 mm quiere aproximadamente de 0.3 a 0.7 mm por lado, y el de 10 mm aproximadamente de 0.8 a 1.2 mm por lado trabajando en la mitad alta de la banda. Esas aberturas de matriz parecen alarmantemente grandes al lado del punzón si su instinto viene del trabajo de chapa fina. Son correctas. La matriz para un punzón de 13 mm en cobre de 10 mm al 10 % por lado es de 15 mm, y el agujero que hace medirá cerca de 13 mm, porque la pared la fija la banda bruñida y no la matriz.

Las tablas publicadas varían, y por un motivo. La guía de utillaje de Conic da al cobre una relación de holgura de 0.20-0.25 como cifra total en prensas servo e hidráulicas, lo que son del 10 al 12.5 % por lado, con una nota para multiplicar por 1.4 por encima de 3.2 mm de espesor. Tomado literalmente, eso lleva el cobre grueso al 14-17 % por lado. UniPunch lista el cobre al 20 % del espesor para semiduro y al 25 % para temple duro, otra vez como total. El trabajo de holgura calculada de Dayton, que es estampación de chapa fina, sube todavía más. La horquilla es real y no un descuido: el óptimo depende de si usted está comprando vida de herramienta, rebaba mínima o repetibilidad dimensional, y esas tres cosas no alcanzan su máximo con la misma holgura.

Poca holgura

La fisura del punzón y la de la matriz arrancan cada una de su propio filo de corte y progresan una hacia la otra. Con la holgura correcta quedan en el mismo plano y se unen. Con holgura insuficiente se pasan de largo, y el ligamento que queda entre ambas hay que desgarrarlo en un segundo suceso. Eso da la banda de cizallado secundaria, una pared basta e inconsistente y un agujero por debajo de la medida del punzón.

Las consecuencias en la herramienta son peores que las consecuencias en la pieza. El cobre recupera elásticamente sobre el flanco del punzón tras la rotura brusca, de modo que con holgura estrecha el agujero se cierra sobre el punzón y cada carrera termina en un ajuste con interferencia que hay que forzar en el retorno. La fuerza de extracción sube, el flanco se abrasiona y se acumula calor de fricción en la punta. Los ejemplos de campo de Dayton muestran decoloración detrás de la punta por exactamente este mecanismo, con el tratamiento térmico del punzón dañado y su vida terminada mucho antes de que el filo esté gastado. En casos severos la punta fatiga y se desprende.

Es la retirada, y no la carrera de corte, donde ocurre buena parte del desgaste. Dayton lo sitúa en hasta dos tercios del desgaste total del punzón, y es enteramente función de lo fuerte que el agujero agarre el flanco. Ese es el argumento más contundente en contra de trabajar con la holgura en el fondo de la banda en cobre. El cobre es blando, así que la prensa nunca se queja. La cuenta de utillaje sí.

El tonelaje de pico también sube con holgura estrecha, porque una parte mayor del espesor se cizalla en lugar de fracturarse. En una máquina con poco margen, esa es una vía plausible a un carro atascado en la barra más gruesa del trabajo.

Demasiada holgura

El material flexa hacia dentro de la matriz antes de cortarse. El redondeo crece, la banda bruñida se acorta, la zona de fractura ocupa la mayor parte de la pared y la altura de rebaba sube. El agujero queda sobredimensionado y su canto ya no está a escuadra, lo que importa allí donde el agujero es una cara de unión atornillada.

El fallo operativo es el arrastre del recorte. A medida que sube la holgura, el recorte queda más flojo en la matriz y sube con el punzón en la retirada en lugar de caer. Aterriza sobre la barra y se aplasta contra el siguiente agujero, o se acuña en el extractor. En cobre los mecanismos son la adhesión por película de aceite y el vacío que se forma entre el recorte abombado y la cara del punzón. La adhesión magnética, el tercer culpable habitual en trabajo de acero, no se aplica.

Las contramedidas son mecánicas: un expulsor con muelle en la cara del punzón con un orificio de venteo lateral, un ángulo de cizalla que abombe el recorte para que su propia recuperación elástica lo suelte, o una matriz con una faja de corte corta seguida de un destalonado más estrecho que agarre el recorte para que no pueda subir. Limitar la entrada del punzón en la matriz a unos 0.5-0.8 mm en el punto muerto inferior ayuda, ya que una entrada profunda crea más vacío al salir. La lista completa y lo que vale cada medida está en vida de la herramienta y coste por agujero.

Agujeros pequeños en barra gruesa

La barra colectora tiene un problema geométrico que la estampación de chapa fina no tiene. Un agujero de paso para M12 es de 13 o 13.5 mm. En barra de 10 mm, la relación entre diámetro de agujero y espesor es de unos 1.3; en barra de 12 mm, de unos 1.1. Es un agujero rechoncho y profundo, y no se comporta como un agujero de 25 mm en chapa de 3 mm.

Por debajo de una relación diámetro-espesor de aproximadamente 1.5, el recorte se vuelve difícil de flexar y de romper. La carga sobre el punzón sube, la banda bruñida se alarga, la rebaba crece y el agujero sale por debajo de medida. La orientación de Dayton es añadir un 1 % por lado a la holgura nominal en cuanto el agujero baja a 1.5 veces el espesor, subiendo hasta aproximadamente un 4 % por lado adicional cuando el diámetro del agujero iguala al espesor. Aplicada a un agujero de 13 mm en cobre de 12 mm, esa corrección no es opcional, y explica por qué un juego de herramientas que funciona estupendamente a 6 mm se porta mal a 12 mm con el mismo porcentaje nominal.

Los datos de vida de herramienta de PASS Stanztechnik coinciden desde el otro lado: sus factores de reducción son de 0.6-0.8 para un elemento cortado menor que 1.5 veces el espesor de chapa y de 0.3-0.5 para uno menor que 1.0 veces el espesor. Un agujero pequeño en barra gruesa cuesta entre la mitad y dos tercios de la vida de herramienta que usted obtendría en otro caso.

Fuerza de punzonado, y qué le hace la geometría de la punta

La fuerza necesaria es el área que se cizalla multiplicada por la resistencia al cizallamiento del material, F = perímetro × t × τ, o F = π × d × t × τ para un agujero redondo. Los ejemplos resueltos y un conjunto de referencia de resistencias al cizallamiento están en el artículo complementario sobre dimensionar la fuerza de prensa para el punzonado de barra colectora, y la aritmética se resuelve directamente en la calculadora de fuerza de punzonado de barras.

La holgura interactúa con esto, y la geometría de la punta también. Un punzón de cara plana corta todo el perímetro a la vez, así que toda la fuerza llega como un pico y la descarga al romper es violenta. Rectificar un ángulo de cizalla en la cara del punzón escalona el corte y el tonelaje de pico baja, pero en barra gruesa baja menos de lo que sugiere el marketing. La tabla de factores de cizalla de H. Weiss da, en material de 1/4 in (6.35 mm), un factor de 0.90 para una profundidad de 1/16 in (1.6 mm), 0.85 para 3/32 in (2.4 mm) y 0.65 para 3/16 in (4.8 mm). Un ángulo poco profundo en cobre grueso compra un 10 %. Conseguir un 35 % exige una profundidad cercana a tres cuartas partes del espesor de la barra, lo que es una punta larga y frágil.

La cara plana da la mayor fuerza de pico, el agujero más a escuadra y el recorte más plano. El bisel simple, una cara rectificada en ángulo a través del punzón, da la mayor reducción de fuerza pero empuja el punzón lateralmente, y en un punzón rechoncho de barra colectora esa carga lateral va a la guía y al extractor. El ángulo a dos aguas, simétrico respecto de la línea central, equilibra las cargas laterales y es la elección habitual salvo en los agujeros más pequeños. Al perforar, ponga el ángulo de cizalla en el punzón y no en la matriz: el elemento que lleve el ángulo distorsiona su lado del corte, y en un agujero perforado el recorte es chatarra mientras que la barra es el producto.

El aluminio no es cobre, y el 6101 no es el 1350

El aluminio cambia dos cosas. La resistencia al cizallamiento cae mucho, y no cae de forma uniforme entre las calidades que se usan para barra colectora.

Las calidades conductoras blandas de la serie 1xxx están cerca de 60-80 N/mm² a cizallamiento; UniPunch lista el 1100-O en 62 N/mm² y el 1100-H14 en 76 N/mm², que es el orden correcto para barra 1350-H111. La barra aleada y tratada térmicamente es otro material. La resistencia al cizallamiento publicada para el 6101-T6 es de unos 22 ksi, en torno a 150 N/mm², y el 6061-T6 está listado en 207 N/mm². Dimensionar una prensa o un juego de herramientas para «aluminio, 80 N/mm²» y recibir después barra de 6101-T6 casi duplica la fuerza que usted necesita realmente. Establezca la aleación y el temple antes del cálculo de tonelaje.

La holgura para barra de aluminio va algo por debajo de la del cobre al mismo espesor, normalmente en torno al 8-10 % por lado, porque la menor resistencia al cizallamiento deja que la fractura progrese con facilidad. El problema del aluminio es la adhesión. Se agarrota sobre el acero de herramienta, se acumula en el flanco del punzón y raya después los cien agujeros siguientes. El recubrimiento ayuda, y PASS Stanztechnik da un factor de vida de herramienta de 2.0-4.0 para un recubrimiento adecuado, entendiendo por tal una calidad específica para aluminio y no un TiN de uso general. La lubricación ayuda más. El factor de reducción de PASS por trabajar sin lubricación de chapa es de 0.4-0.6, así que punzonar barra de aluminio en seco es una falsa economía.

El temple del cobre importa de la misma manera. Bajo EN 13601, la barra de Cu-ETP se suministra como R220 recocida blanda a 220-260 N/mm² de tracción, R240 semidura a 240-300 y R290 dura a 290-360. Eso está lo bastante separado como para que un juego de herramientas ajustado para un temple no sea el óptimo en otro.

Especificar la rebaba en el plano

La mayoría de los planos de barra colectora no dice nada sobre la rebaba, y después la inspección rechaza piezas contra una norma no escrita. El mecanismo para decirlo correctamente es ISO 13715, Documentación técnica de producto. Bordes de forma no definida. Indicación y acotación, tercera edición de 2017.

La norma da un símbolo gráfico que se coloca sobre el borde, con un signo y un valor dentro. El signo lleva el significado:

• + indica exceso de material admisible, lo que la norma llama passing. La rebaba se define explícitamente como un caso particular de exceso de material exterior. Un único valor positivo significa que el otro límite es cero, así que no se admite rebaje.
• − indica eliminación de material exigida, un rebaje. Un único valor negativo significa que no se admite exceso de material, así que no se permite ninguna rebaba y el canto tiene que quedar matado.
• ± indica que se admite cualquiera de los dos, y solo puede usarse con un valor de tamaño.

El tamaño es la desviación máxima admisible, escrita después del signo. Se pueden dar ambos límites, superior e inferior, apilados. ISO 13715 prevé además indicar la dirección en la que se admite el exceso de material o el rebaje, que es el apartado que más importa en barra colectora, porque una rebaba en la cara de unión de una conexión atornillada es un problema distinto de una rebaba en la cara libre.

Lo que ISO 13715 no hace es decirle qué número escribir. Eso sale de la función del canto:

• Caras de unión atornillada: la rebaba queda entre dos conductores que casan y los mantiene separados, reduciendo el área de contacto y subiendo la resistencia de la unión. Como IEC 61439 fija un límite de calentamiento de 70 K en los bornes para la conexión de conductores externos, la resistencia de la unión es una cuestión de conformidad y no cosmética. Especifique el lado de la rebaba, y especifíquelo estrecho.
• Paredes de agujero por las que pasa el vástago de un tornillo: la rebaba aquí interfiere en el montaje y puede rayar el tornillo. Basta con un control moderado.
• Cantos próximos a una barrera aislante o a un entrehierro: es una cuestión de distancias en el aire y líneas de fuga según IEC 60664-1, ya que una rebaba viva y levantada eleva localmente la intensidad de campo. Es también donde alguien suele afirmar que una norma obliga a biselar. Ninguna lo hace. El tratamiento de cantos es un medio para cumplir las prescripciones dieléctricas, no un requisito por derecho propio.

Para patrones de agujeros según DIN 43673-1, que fija la posición y el tamaño de agujero más los datos base de las conexiones atornilladas en barras rectangulares, la especificación de rebaba corresponde al mismo plano que el patrón.

Cuando el límite es lo bastante estrecho como para que el punzonado por sí solo no lo mantenga, la respuesta es una operación aguas abajo y no una holgura cada vez más estrecha. El desbarbado con cepillo o banda en una máquina como la BND800-2, que admite barra de 0.5 a 50 mm de espesor y de 100 a 800 mm de ancho, elimina la discusión. Perseguir una rebaba de 0.05 mm apretando la holgura cuesta vida de punzón y calidad de agujero al mismo tiempo.

Fijarla y comprobarla en la máquina

La holgura pertenece al juego de herramientas y no a la prensa, así que en una punzonadora y cizalla queda fijada cuando se piden el punzón y la matriz, y se verifica cuando se montan. Mida el punzón y la matriz por separado y calcule la holgura en lugar de fiarse de la etiqueta; un punzón rectificado por el flanco y no por la cara ya no tiene la medida que lleva grabada. Después compruebe la concentricidad, porque una cifra por lado tiene que mantenerse en todo el contorno. Un punzón 0.1 mm descentrado con una holgura nominal de 0.8 mm da 0.7 mm en un lado y 0.9 mm en el otro, y la rebaba será visiblemente asimétrica. En un centro de procesamiento con torreta multiestación que mantiene ±0.05 mm de posicionamiento, la alineación de estaciones y la limpieza de la torreta forman parte de la cadena de la holgura.

Lo que este flujo plástico local le hace a la rectitud de la barra se trata en planitud, rectitud y alabeo después del procesado, y la visión general del proceso de punzonado cubre dónde encaja el agujero en el resto de la ruta.