Prensas

La máquina utilizada para la mayoría de las operaciones de trabajo en frío y algunas en caliente, se conoce como prensa. Consiste de un bastidor que sostiene una bancada y un ariete, una fuente de potencia, y un mecanismo para mover el ariete linealmente y en ángulos rectos con relación a la bancada. Las prensas son máquinas cuya característica es la entrega de grandes cantidades de energía (FUERZA X RECORRIDO) de forma controlada.

Una prensa debe estar equipada con matrices y punzones diseñados para ciertas operaciones específicas. La mayoría de operaciones de formado, doblado, punzonado, embutido, cizallado, se pueden efectuar en cualquier prensa normal si se usan matrices y punzones adecuados. Las prensa tienen capacidad para la producción rápida, puesto que el tiempo de operación es solamente el que necesita para una carrera del ariete, más el tiempo necesario para alimental el material. Por consiguiente se pueden conservar bajos costos de producción. Tienen una adaptabilidad especial para los métodos de producción en masa, como lo evidencia su aplicación en la manufactura de piezas de automóviles y aviones, artículos de ferretería, juguetes y utensilios de cocina.

Clasificación de las Prensas

Atendiendo a la forma de entregar la energía las prensas pueden ser mecánicas o hidráulicas.

Prensas Mecánicas: consta de un motor eléctrico que hace girar un volante de inercia que sirve de acumulador de energía. La energía se entrega a la parte móvil de la prensa (carro) mediante un embrague o acoplamiento. La entrega de la energía es rápida y total gastando en cada golpe una fracción de la capacidad de trabajo acumulada. Se usan para trabajos de corte, estampación, forja y pequeñas embuticiones. (Ver figura 1)

Figura 1. Prensa mecánica excéntrica de simple efecto.

Prensa Hidráulicas: se basan en el conocido principio de Pascal (ver figura 2), alimentándose de un pistón de gran diámetro con un fluido a alta presión y bajo un caudal se consigue grandes fuerzas resultantes. La entrega de energía es controlada en cada momento tanto en fuerza como en velocidad por lo que mantenemos el control constante del proceso. Se usan en operaciones de embutido y en procesos de altas solicitaciones como acuñado.

Figura 2. Prensa hidráulica.

No es muy correcto llamar a una prensa, prensa dobladora, prensa de repujado o prensa cortadora, entre otras, pues los tres tipos de operaciones se pueden hacer con una máquina. A algunas prensas diseñadas especialmente para un tipo de operación, se le puede conocer por el nombre de la operación, prensa punzadora o prensa acuñadora. La clasificación está en relación a la fuente de energía, ya sea operada manualmente o con potencia. Las maquinas operadas manualmente se usan para trabajos en lámina delgada de metal, pero la mayor parte de maquinaria para producción se opera con potencia. Otra forma de agrupar a las prensas, está en función del número de arietes o los métodos para accionarlos.

Tipo de Prensa Según el Trabajo Seleccionado y sus Consideraciones.

El tipo de operación a desarrollar, tamaño de la pieza, potencia requerida, la velocidad de la operación. Para la mayoría de las operaciones de punzonado, recortado y desbardado, se usa generalmente prensas del tipo manivela o excéntrica. En estas prensas, la energía del volante se puede transmitir al eje principal, ya sea directamente o a través de un tren de engranajes. La prensa de junta articulada se ajusta idealmente a las operaciones de acuñado, prensado o forja. Tienen una carrera corta y es capaz de imprimir una fuerza extrema.

Prensas para Trabajo Mixtos Progresivos, Prensas Múltiples (o de Paso)

Se entiende por trabajo progresivo de prensado la serie de operaciones sucesivas que transforman gradualmente (ver figura 3), con un mismo troquel, una chapa plana, una tira o una cinta, a fin de obtener piezas con otra forma. El procedimiento consiste en un mínimo de dos fases, a saber: corte y doblado, o embutido y corte. El objetivo es poder obtener en un solo tiempo y con un solo troquel una serie de operaciones sucesivas. Es necesario que los punzones estén paralelos entre si y actúen sincronizados haciéndolos trabajar en forma regular.

Figura 3. Prensa múltiple.

Prensas Combinadas (o de Bloque)

Son prensas que por tener acción mixta, tienen sus útiles combinados (no en línea), realizando el proceso en una sola operación (ver figura 4). Las operaciones pueden ser de corte, embutido, doblado, agujereado, etc. Por lo tanto tendremos por ejemplo:

• Prensas para doblar y embutir.
• Prensas de cortar y embutir.
• Prensas para cortar, embutir y agujerear. 

Figura 4. Prensa Combinada

Otra Clasificación de Prensas

Por su sistema de transmisión pueden clasificarse en “prensa a volante directo”, “prensas de reducción”, “prensas de doble reducción”, “prensas de reducción paralela” y “prensas cinemática especial”. Por su reestructura se pueden clasificar en “prensas de cuello de cisne” y prensas doble montante” (dentro de estas existen las monoblock y las de piezas armadas por tirante). Por su velocidad se clasifican en “prensas convencionales” (de 12 a 200 golpes por minuto en función de su tamaño), “prensas rápidas” (de 300 a 700 golpes por minuto) y “prensas de alta velocidad” (de 800 hasta 1600 golpes por minuto); las más rápidas son de fabricación japonesa y suiza.

Otro tipo de prensas aparecidas recientemente son las “servoprensas”, en estas prensas se elimina el embrague y el volante de inercia obteniendo toda su energía de uno o varios servomotores conectados al eje principal mediante reductoras planetarias o epicicloidales, o mediante palancas articuladas. La operación de estas máquinas ha impulsado también el desarrollo de prensas híbridas de distintos tipos (con servo, volante y embrague).

Operaciones que se Pueden realizar en una Prensa

Las operaciones que se pueden realizar en una prensa son las siguientes:

1) Punzado o Corte de la Chapa: el punzado es una operación mecánica mediante el cual, con herramientas especiales aptas para el corte, se consigue separar una parte metálica de otra, obteniéndose instantáneamente una figura o forma deseada (ver figura 5). El punzón en primer tiempo y prosiguiendo la presión que ejerce sobre la chapa, completamente su labor con una compresión del metal, con la cual da lugar a una deformación plástica del material, originando en esta primera fase un vientre cóncavo. Luego el punzón encontrando libre el camino en la matriz, ocasionando una expansión lateral del medio plástico, luego el esfuerzo de compresión se convierte inmediatamente en un esfuerzo de cortadura y sobreviene un brusco desgarre y el trozo de metal sujeto al punzón se separa y cae al fondo de la matriz. La relación entre S espesor de la chapa y el diámetro D del punzón resulta S/D para la chapa de hierro y punzón de acero, con valor de 1,2 máximo.

Figura 5. Operación de punzonado.

Podemos deducir el concepto práctico siguiente: la chapa de acero para que pueda ser cortada, su espesor debe ser menor o igual al diámetro del punzón.

El juego entre punzón y matriz depende del grueso de la chapa. El juego es aplicable para una chapa de gran espesor y será mayor para acero duro que para acero dulce o aluminio, etc. El valor del juego es entre cinco a 13% dependiendo del espesor de la chapa. Determinado el juego correcto se aumenta la duración de la herramienta.

Disposición de la figura: La mejor disposición de la figura a cortar asegura una pérdida de material mínima. La separación mínima de figuras nunca debe ser menor al espesor de la chapa.

2) Doblado, Curvado, Bordado y Perfilado: Estas operaciones son muy importante en los ciclos productivos, porque ellas van después del punzonado de la chapa. Durante estas operaciones es necesario evitar que la chapa experimente un alargamiento, dado que si se produce, la chapa variara su espesor. Estas operaciones, consisten en variar la forma de un objeto de la chapa sin alterar su espesor de forma que todas las secciones permanezcan constantes (ver figura 6).

Figura 6. Operación de doblado.

3) Embutido, Estirado y Extrusión: Se puede emplear el término para indicar la operación mediante la cual se somete a una chapa bajo la forma de un cuerpo hueco. La operación de embutir consiste en transformar una chapa plana en un cuerpo hueco, procediendo gradualmente con una o más pasadas (ver figura 7).

Figura 7. Operación de embutido.

La palabra extrusión deriva de la palabra estrujar, que significa comprimir y expeler algo hacia afuera con violencia. Esta palabra se usa industrialmente para definir el proceso mediante el cual se puede comprimir y expeler hacia fuera de la matriz, un material blando por medio de un punzón (ver figura 8).

4) Forjado: Es un método de manufactura de piezas metálicas, que consiste en la deformación plástica de un metal, ocasionada por esfuerzos impuestos sobre el material, ya sea por impacto o por presión. En el proceso, el metal fluye en la dirección de menor resistencia, Así que generalmente ocurrirá un alargamiento lateral al menos que le contenga (ver figura 9).

Figura 8. Operación de extrusión.

Existen dos clases de forja, en matriz y en matriz cerrada. a) Forja en matriz abierta: Producción de piezas pesadas con tolerancias grandes y en lotes pequeños y medianos. b) Forja en matriz cerrada: Producción de peso reducido, de presión y en lotes de 1 000 a 10 000 unidades.

Figura 9. Operación de forjado.

Herramientas para el Trabajo en Prensas

Se denomina troquelado a la operación mecánica que se utiliza para realizar agujeros en chapas de metal, láminas de plástico, papel o cartón. Para realizar esta tarea, se utilizan desde simples mecanismos de accionamiento manual hasta sofisticadas prensas mecánicas de gran potencia. Uno de los mecanismos de troquelado más simples y sencillos que existen pueden ser el de hacer agujeros en las hojas de papel para insertarlas en las carpetas de anillas.

Los elementos básicos de una troqueladora lo constituyen el punzón que tiene la forma y dimensiones del agujero que se quiere realizar, la matriz de corte por donde se inserta el punzón cuando es impulsado de forma enérgica por la potencia que le proporciona la prensa mediante un accionamiento de excéntrica que tiene y que proporciona un golpe seco y contundente sobre la chapa, produciendo un corte limpio de la misma.

Troqueles

Es la herramienta empleada para dar forma a materiales sólidos y en especial para el estampado de metales en frío (ver figura 10). En el estampado se utilizan los troqueles en pares. El troquel más pequeño, punzón o cuño, encaja dentro de un troquel mayor o matriz. El metal al que va a darse forma, suele ser una lámina o una pieza en bruto recortada, se coloca sobre la matriz en la bancada de la prensa. El punzón o cuño se monta en el pistón de la prensa y se hace bajar mediante presión hidráulica o mecánica (ver figura 11).

Figura 10. Troqueles.

En las distintas operaciones se emplean troqueles de diferentes formas. Los más sencillos son los troqueles de perforación, utilizados para hacer agujeros en la pieza. Los troqueles de corte se utilizan para estampar una forma determinada en una lámina de metal para operaciones posteriores. Los troqueles de flexión y doblado están diseñados para efectuar pliegues simples o compuestos en la pieza en bruto. Los troqueles de embutir se emplean para crear formas huecas. Para lograr una sección reducida en una parte hueca, como el cuello de un cartucho de fusil, se utilizan troqueles reductores especiales. Cuando la pieza terminada debe tener una protuberancia en la parte inferior o central suelen  emplearse troqueles hidráulicos, En éstos el cuño se sustituye por un pistón que introduce en la pieza agua o aceite a presión, lo que obliga al metal a doblarse hacia fuera contra la matriz.

Figura 11. Esquema de un troquel de punzonado. A- Punzón, B- Matriz.

Los troqueles de rebordeado forma un reborde curvo en piezas huecas. Un tipo especial de troquel de rebordeado, llamado troquel de costura con alambre, enrolla firmemente los bordes externos del metal alrededor de un alambre que se inserta para dar resistencia a la pieza. Los troqueles combinados están diseñados para realizar varias de las operaciones descritas en un único recorrido de la prensa; los Troqueles progresivos permiten realizar diversas operaciones sucesivas de modelado con el mismo troquel. En el acuñado de monedas se obliga al metal a pasar entre dos troqueles coincidentes, en los que figura un grabado del dibujo que debe formarse en la moneda.

Aceros Comunes para Troqueles

Al diseñar un troquel debe tenerse en cuenta algunos criterios para la selección del material para estos. Se debe elegir un tipo determinado de acero a la función que debe cumplir en la estampa y esta es una tarea sumamente importante. La selección del material debe hacerse según los siguientes factores:

• Según la dimensiones de la estampa.
• Según el tipo de estampa, es decir, si es para corte, doblado, embutido, etc.
• Según la temperatura a la cual se debe trabajar la estampa, o sea, si es en frío o en caliente.
• Según el tipo de material que se va a trabajar en la estampa.

El problema de la elección reside, particularmente en el punzón y la matriz, ya que ellos son los elementos del troquel que están en contacto con el material a trabajar. Otro aspecto muy importante a considerar a la hora de fabricar los troqueles, es el tratamiento térmico que se debe realizar al acero con el cual se está fabricando el troquel. En la Tabla 1 se muestra los tipos de aceros más comunes para la fabricación de troqueles, así como sus propiedades químicas: Nótese que el acero M2 es el más utilizado en los punzones en línea, gracias a su contenido químico de molibdeno, tungsteno y vanadio.

El acero D2 al no poseer una composición química igual al M2, no lo hace atractivo para los fabricantes de punzones (ver tabla 1).

Tabla 1.		Tipos de aceros más comunes en la fabricación de troqueles.
Acero	C	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	W	V	BHN	RC	Templado	Enfriamiento	Revenido	Equiv Jis	Esf Ten Lbs/ft
1018	0.18	0.2	0.75						200	14	845	Cementar 925	500-600	S20C	11900
1045	0.45	0.25	0.75						206	15	820-860	Aceite/Agua	300-650	S45C	17000
4140R	0.4	0.25	0.9	0.95		0.2			230	20	830-850	Aceite	500-650	SCM440	29000
4140T	0.4	0.25	0.9	0.95		0.2			330	36				-	-
8620	0.2	0.25	0.8	0.5	0.55	0.2			200	14	Na	Cementar 870- 925	200	SNCM220	24800
9840R	0.4	0.25	0.7	0.8	1	0.25			230	20	820-860	Aceite	200-500	-	29000
9840T	0.4	0.25	0.7	0.8	1	0.25			330	36				-	-
D2	1.5	0.4	0.4	12		0.9		0.8	262	26	980-1025	Aire	100-400	SKD 11	-
A2	1	0.5	1	5.1		1.15		0.3	230	20	950-980	Aire	100-400	SKD 12	-
O1	0.9	0.3	1.15	0.5			0.5	0.2	228	19	790-815	Aceite	100-400	SKS 3	-
S7	0.5	0.6	0.5	3.25	1.55			0.35	245	23	930-960	Aceite/Agua	100-400	-	-
M2	0.8	0.3	0.3	4		5	6	1.9	269	28	1190-1230	Sales/Aire	100-700	SKH 51	-

Grafica de aceros para herramientas: En la siguiente gráfica podrás ver la diferencia que existe entre dureza superficial y tenacidad entre los aceros y grado de herramienta utilizados en los troqueles (ver gráfica 1).

Gráfica 1. Aceros para herramientas, las barras blancas indican la tenacidad y las barras oscuras su resistencia al desgaste.

Esfuerzo de Corte

En el contacto con la chapa, el punzón comprime y luego corta. La dilatación del material produce contra las paredes de la matriz un roce durante el corte y por ende necesitamos un mayor esfuerzo. La fuerza necesaria para que la prensa corte el metal viene dada por la siguiente ecuación:

F = P * s * Ss

Dónde P es el perímetro de la figura que se va a cortar, s, es el espesor de la chapa que se va a cortar y, Ss, es el Esfuerzo máximo que resiste el material a la cortadura. El esfuerzo a la cortadura Ss, se puede obtener por la siguiente ecuación:

Ss = (0.6 a 0.75) * Su

Siendo el valor Su el esfuerzo máximo a tracción y se puede encontrar en las tablas de la AISI o SAE. Un buen centrado garantiza un menor desgaste de guías laterales y evita resquebrajamiento de aristas del punzón y la matriz.

Doblado

La ecuación para calcular la fuerza F de doblado es la siguiente:

F = (2 * Sd * b * s^2) / (3 * l)

Donde Sd es el esfuerzo de flexión para la deformación permanente y el prensado del fondo del doblado. Se puede calcular por Sd = 2 * Su, siendo Su el esfuerzo máximo a rotura del material, ver tablas de SAE y AISI. A su vez, l, es la distancia entre los apoyos de la matriz, b, es el ancho de la tira de la chapa y, s, el espesor de la chapa (ver figura 12).

Figura 12. Dimensiones a tomar en cuenta en el doblado.

BIBLIOGRAFÍA

AVALLONE. EUGENE A. "Manual del Ingeniero Mecánico Marks". Editorial Mc Graw Hill, novena edición, año 1995.

ROSSI MARIO. "Estampado en Frío de la Chapa". Editorial Dossat, novena edición, año 1979.