2. MATRICERÍA

Se llama Matricería a la rama de la Mecánica que estudia la técnica de la fabricación de utillaje (moldes, estampas, etc…) adecuado para la obtención de piezas en serie, que se han de conformar en todas sus partes, de una sola vez, por medio de un golpe de prensa sobre una chapa.

Para dar la forma a una pieza se puede ir trabajando sucesivamente cada una de las superficies siguiendo un proceso de mecanizado en las diversas maquinas-herramientas, fundición, o bien, se puede dar forma simultáneamente a todas sus partes, por deformación plástica, por medio de uno o varios golpes de prensa.

Estos últimos métodos de trabajo son mucho más rápidos, pero exigen la preparación previa de moldes o troqueles que tengan la forma de la pieza que se desea fabricar, tanto si dicha pieza se va a fundir en un molde metálico, como si se ha de cortar, estampar o forjar.

Por este procedimiento se pueden obtener piezas de una chapa, en cuyo caso las piezas son fabricadas por corte y deformación posterior de la chapa (manteniendo el espesor de la misma), o también se puede partir de un tocho de material y obtener la pieza por deformación plástica, lo que exige que la operación se realice en caliente. Este último procedimiento de trabajo a prensa se denomina forja por estampación.

Cuando se han de hacer pocas piezas iguales, los procedimientos de corte y deformación no se pueden utilizar, debido al elevado coste de los útiles; pero cuando se trata de grandes series, es el procedimiento más económico, porque el precio de los útiles se reparte entre una gran cantidad de unidades fabricadas.

1. OPERACIONES DE CONFORMADO SIN ARRANQUE DE VIRUTA

• Cortado de la tira de chapa 
• Enderezado de la chapa
• Corte de chapa por medio de punzón y matriz
• Curvado y doblado
• Curvado de tubos y piezas huecas 
• Enrollado de la chapa
• Bordonado o bordoneado, rebordeado y cercado 
• Perfilado
• Engrapado o engatillado
• Embutido de chapas
• Abombado
• Reducido 
• Acuñado
• Operaciones combinadas 
• Extrusión
• Fabricación de tubos 
• Trefilado
• Repulsado 
• Forjado mecánico
• Moldes metálicos

 Cortado de la tira de chapa 
      

    La mayoría de las chapa son de acero de bajo contenido de carbono, laminado en frío. También se hacen estampados o chapas de: aluminio, latón, bronce, acero inoxidable, fibra, plástico, cobre, etc. El método más sencillo y antiguo es el de y cizallamiento por medio de una cizalla plana. Otro sistema consiste en el cortado por medio de cuchillas circulares.

      
Enderezado de la chapa     

     El aplanado a máquina se hace generalmente por medio de unas máquinas que constan de varios cilindros, cuya separación entre centros puede variar a voluntad (espesor de la chapa), y entre los cuales se debe hacer pasar la chapa. De ordinario son necesarias varias pasadas.

     Corte de chapa por medio de punzón y matriz

Para los con cortes rectilíneos se utilizan las cizallas y demás máquinas herramientas que hemos visto antes. Para el corte del contorno de piezas se emplea el corte y punzonado. La operación consiste en la perforación de una chapa mediante un punzón o macho que penetra en un oficio de su misma forma en una placa llamada matriz o sufridera. 

En esta operación, la pieza que se aprovecha es, alguna vez, la chapa donde se ha practicado el orificio, casi siempre el trozo de material separado y rara vez ambos. El perfil del agujero puede ser de cualquier forma, con tal de que el ancho menor del punzón no sea menor que espesor de la chapa.

Una misma pieza puede necesitar varios cortes u orificios además del de su perfil, y entonces se precisan varios punzones para hacerla, que generalmente trabajan sobre la misma matriz.

Las prensa mas empleada para cortar es, la excéntrica o de husillo.

Curvado y doblado

Se entiende por curvar una chapa en darle forma de superficie curva desenrollable, considerando como tal, la que puede extenderse sobre un plano sin sufrir deformación. Por ejemplo, es desenrollable una superficie cilíndrica o una superficie con cónica.

Se entiende por doblar el hacer qué una chapa forme dos o más planos separados por ángulos vivos.

Sin embargo, prácticamente, no se puede hacer un doblado totalmente en arista viva, sobre todo en materiales poco dúctiles; para que la pieza no se parta debe darse un pequeño radio en las uniones de las superficies. Estas operaciones se efectuarán con las estampas de curvar o doblar, que constan, en general, de dos piezas tales que el perfil de una es igual al contra perfil de la otra, deducido el grueso de la chapa y se realizan con la ayuda de una prensa. También puede doblarse a máquina.

Curvado de tubos y piezas huecas

Al curvar cuerpos huecos como, por ejemplo, tubos, han de adoptarse medidas especiales de precaución para evitar que en la pieza se formen pliegues o grietas en alguna zona; sí, pueden introducirse muelles, o bien pueden rellenarse el tubo con bolitas de goma o con arena fina, antes de proceder a su curvado. Una vez caliente ese curva. Otro medio consiste en rellenarlo previamente con una aleación cuyo punto de fusión es inferior a 100ºC.

El útil representado en la figura se compone de un punzón A y una estampa formada por dos partes B, C1 y C2. El punzón A tiene un rebajó en su parte inferior d1 igual al diámetro interior del tubo y su diámetro exterior (d) es ligeramente inferior al exterior del tubo. Las dos piezas inferiores C1 y C2 son dos mordazas atornillada con la curvatura del tubo y unidas por medio de una cola de milano. El segmento del tubo recto se empuja, por medio del punzón, hacia dentro de este canal curvado, quedando así conformado, mientras que la pieza curvada anteriormente es expulsada hacia fuera.

Enrollado de la chapa

    
     Consiste en enrollar parcial o totalmente una pieza por medio de útiles de matricería. Para efectuar el enrollado, se necesitan generalmente dos troqueles.

Bordonado o bordoneado, rebordeado y cercado

    Se llama bordonado o bordoneado a cualquier moldura que se hace longitudinal o circularmente en una chapa para que adquiera resistencia. Cuando se hace en el borde de la chapa se llama rebordeado. El cercado consiste en introducir un alambre o varilla en el borde efectuado.

Estas operaciones se pueden hacer sobre piezas planas o cilíndricas y se realizan de ordinario por medio de máquinas especiales que trabajan de forma continua, con rodillos y excepcionalmente por medio de estampas o troqueles, cuando se trata de piezas pequeñas. Otro procedimiento para realizar estas operaciones, es por extrusión, como más adelante se verá.

Perfilado

El perfilado consiste en la fabricación de perfiles de longitud considerable por medio del curvado o doblado de tiras de chapa en su sentido longitudinal. Puede efectuarse por medio de rodillo en forma continua, pero también en prensas especiales por medio de troqueles muy sencillos de perfil constante que toman la forma de las cuchillas.

 Engrapado o engatillado

El engrapado o engatillado consiste en la unión de dos piezas de chapa por medio de un doblez hecho en ambas chapas. Para pequeñas piezas se puede efectuar por medio de estampas o troqueles de doblar; para grandes piezas y depósitos se hace, de ordinario, por medio de máquinas especiales.

Embutido de chapas

El embutido de chapas a máquina es una variante del estampado. El embutido de la chapa consiste en darle una forma ahuecada, por deformación de la chapa, tal como vasos, cartuchos, etc. O en general, la forma de una superficie cualquiera no desarrollable. Se efectúa por medio de troqueles o estampas de embutir.

Abombado

Las estampas de abombar ensanchan las partes inferiores de recipientes previamente embutidos.

Reducido

El reducido consiste en disminuir el diámetro de una pieza en una parte de su longitud.

Acuñado

Acuñado es la operación por la cual se produce un relieve en la pieza por medio de una estampa (recuérdese acuñado de monedas)

Operaciones combinadas

En muchos casos es necesario efectuar varias operaciones de corte, doblado, etc… durante la fabricación de la pieza. Estas operaciones se puede efectuar sucesivamente en varios troqueles, o bien, de una sola vez en un troquel combinado de cortar y curvar o cortar y embutir.

Extrusión

La extrusión es la operación en la cual una masa de material dúctil fluye a través de un orificio por medio de un impacto o una fuerte compresión para formar una pieza de sección constante, hueca o no, cuya longitud depende básicamente de la aportación de material efectuada

Extrusión en frio

La extrusión en frio se realiza obligando a fluir el material depositado en el fondo de la matriz entre las paredes de ésta y las de un punzón que lo presiona con fuerza.

Procedimientos de la extrusión en frio

Extrusión inversa: Pueden extruirse piezas de doble pared por medio de punzones huecos, utilizando discos de material perforado. ( es la más utilizada)

 

Extrusión directa: Para la extrusión directa de un cuerpo hueco se emplea un punzón de dos cuerpos. Uno de ellos entra holgado en la matriz para dejar el espesor de la pieza y el otro ajustado para empujar la pieza. Al presionar el disco de material, este fluye hacia delante, entre la punta del punzón y las paredes de la matriz.

  

Extrusión en caliente 

     El metal debe estar a temperaturas comprendidas entre la de cristalización y la de fusión. La boquilla de la matriz tiene la sección de la misma forma que la del perfil de la pieza a obtener, es decir, se emplean los mismos procedimientos que para la extrusión en frio.

La extrusión en caliente tiene una aplicación mucho más amplia que la extrusión en frio, porque la plasticidad del material favorece la operación.

  
Fabricación de tubos

Fabricación de tubos con costura

Cuando los tubos no han de para la conducción de líquidos o gases, sino simplemente como medios de sujeción o sostén, se fabrican de una lámina de hierro, que calentada al rojo, se la obliga a pasar estirándola por una matriz en forma de bocina. Por insuficiencia de temperatura los bordes no se sueldan. Pero si la temperatura es suficiente, la presión que se ejerce obliga a los bordes a soldarse a tope.

Fabricación de tubos sin costura partiendo de material macizo

Los tubos para grandes presiones (calderas, prensas hidráulicas, etc…) se fabrican siempre partiendo de barras macizas, a las cuales se hace un primer taladro, estirándolas luego en caliente sobre excéntricas.

Acabado de tubos por estirado

Los tubos fabricados por los procedimientos anteriores, pueden disminuir de diámetro o adelgazar sus pareces por estirado en hileras o por laminación, con laminadores rotativos.

 

 
Trefilado

El trefilado consiste en hacer pasar un alambre grueso por una placa de acero llamada hilera o matriz provista de un agujero ligeramente cónico. Dicho agujero va disminuyendo progresivamente de diámetro hasta llegar a la medida que se desea obtener.

 

 No hay que confundir el embutido con estiramiento con el trefilado. En el embutido con estiramiento, el adelgazamiento es pequeño y se obtiene como fenómeno secundario del estiramiento de la chapa. En el trefilado el adelgazamiento es considerable y se obtiene haciendo pasar el material por lugares más angostos que el grueso de este.

 Repulsado o entallado a torno

Repulsado o entallado a torno, esta operación se llama también embutido a torno y consiste en obtener de un disco plano de chapa o una pieza previamente embutida, un recipiente o una forma de revolución de forma cóncava.

Para ello se prepara un molde de la forma que ha de tener el recipiente y se fija al trono. Después se da marcha al torno y se va obligando a la chapa a tomar, poco a poco, la forma del molde por medio de unas herramientas de forma especial y extremo redondeado que se manejan a mano apoyándose en los soportes, o sujetas al carro del torno dándolas presiones crecientes por medio de pequeñas ruletas.

 

Se usa para la conformación de piezas en lugar del embutido, cuando las series no son grandes o cuando las dimensiones de aquellas son considerables, como, por ejemplo, las pantallas de radar, fondos de grandes depósitos… en este caso las estampas resultarían de coste muy elevado y en cambio los moldes o madrinos se fabrican muy económicamente en fundición, e incluso en madera dura.

Forjado mecánico

Se realiza en grandes presas en cuya base se instala una estampa en dos mitades. El trabajo manual de forja se ha sustituido en los grandes talleres por forjado mecánico, que es más rápido, más cómodo y la mayor parte de las veces, más económico, sobre todo se usa para piezas de gran tamaño o para la fabricación en serie.

Forjado con estampa

El estampado es una operación que tiene como objetico obtener piezas forjadas de variadas formas mediante moldes llamados estampas. El estampado se puede realizar tanto en frio, usando materiales muy dúctiles y para piezas sencillas, como en caliente, resto de casos.

Estampado a mano: se realiza para piezas pequeñas y de formas sencillas

Estampado a máquina: se utilizan para grandes series y formas complejas. Los moldes que se emplean se llaman estampas, troqueles o matrices y consta de dos partes que entre las dos deben hacer el molde entero de la pieza. Serían las prensas, mecánicas, hidráulicas etc.

Se sujetará la estampa inferior a la parte fija de la prensa y la estampa superior a la parte móvil de la misma. Las dos partes deberán llevar un sistema de guías que encajen perfectamente. Las estampas serán de acero moldeado (rara vez de fundición), reforzadas generalmente con anillos de acero forjado. Pero si se estampa a martillo mecánico es necesario que las estampas sean de acero de máquinas o acero de herramientas, debido a los violentos esfuerzos que sufre. Por ello deben ser también de robusta construcción y en algunos casos será necesario emplear aceros especiales indeformables.

2. MÁQUINAS Y ÚTILES QUE INTERVIENEN EN LOS PROCESOS DE CONFORMACIÓN SIN ARRANQUE DE VIRUTA

• Troqueles
• Prensas

Troqueles

Se denomina troquel a cualquier molde capaz de dar forma de una sola vez, por corte, por presión, o por impacto, a un material metálico. El troquel tiene la forma de la pieza que se va a realizar

Partes de un troquel:

Generalmente tiene dos piezas fundamentales, una fija y otra móvil que se acoplan la una sobre la otra, de modo que esta acción produce la conformación del material.

-Si el troquel simplemente trabaja por corte, se denomina troquel cortador o simplemente cortador; si dobla la pieza, doblador.

-Cuando se trata de embutir, doblar, acuñar o forjar, el troquel se denomina estampa y contraestampa.

Para algunos trabajos solo existe una estampa inferior, y la estampa superior es sustituida por un fluido o por un medio elástico (generalmente goma virgen), que comprimida, presiona a su vez sobre la chapa contra la estampa.

Prensas

Una prensa o máquina prensadora es una máquina capaz de proporcionas una fuerte presión, aprovechando la energía acumulada con anterioridad, mecánicamente o por medio de algún fluido.

• Clasificación según su sistema de accionamiento: mecánicas e hidráulicas

Prensas mecánicas: 

Prensa excéntrica con volante frontal: es de pequeña potencia, ya que la excéntrica queda en voladizo, es decir, con un solo punto de apoyo

Prensa excéntrica con volante lateral: tiene dos puntos de apoyo y se emplean para trabajos medios con potencias de entre 10 y 100 Tm

Prensas de dos montantes: son más robustas, pero tiene el inconveniente de que la mesa de trabajo solo es accesible por delante y por detrás.

Las guías de las correderas son de mayor longitud que las de cuello de cisne, por lo que pueden emplearse para embuticiones muy profundas. Se construyen en potencias de 50 a 300 TM.

Prensas de dos montantes y doble biela: si el tamaño o la potencia lo exige puede haber dos o más bielas, pueden actuar todas conjuntamente o independientemente, para producciones masivas, en caso de embutición múltiple.

Este tipo de bastidor tiene mayor resistencia que la construcción de cuello cisne. Los esfuerzos entre la mesa y los cojinetes son normales y las deformaciones son débiles, pero tiene el inconveniente de que la mesa está cerrada lateralmente por las columnas y es menos accesible y, como consecuencia, el montaje de las herramientas y útiles ofrece mayor dificultad.

Prensa de rodilla: es semejante a las prensas excéntricas; en ella la biela no actúa directamente, sino por medio de un juego de palancas, que pueden dar una presión mucho mayor, disminuyendo considerablemente la velocidad del carro en el momento de la máxima presión.

Prensa de husillo manual: es de muy poco rendimiento, pero en cambio presta servicios muy útiles en el taller de matricería para el ensayo de troqueles en construcción.

Prensa de palanca: se acciona manualmente, y el esfuerzo del operario queda multiplicado por medio de una palanca.

Tanto la prensa de husillo como la de palanca se emplean únicamente para estampaciones sencillas.

Prensa de husillo a motor: suele ser del tipo de discos de fricción. En dicha prensa, el husillo va unido a un volante de fricción dotado de una llanta de cuero. Dos discos movidos por un motor accionan por frotamiento dicho volante, moviéndolo alternativamente, a voluntad. Al accionar el pedal de la presa, uno de ellos se acerca al volante y le comunica el movimiento de bajada, para efectuar el troquelado o la estampación; posteriormente, el primer disco se retira y se acerca al otro, que le comunica el movimiento contrario para la subida del carro, al que se fija la estampa superior.

Prensas hidráulicas:

 La prensa hidráulica se mueve por presión de agua, o más generalmente de aceite; el líquido a presión empuja un embolo que, a su vez, oprime la pieza a forjar o embutir entre las dos partes de la estampa. En esta presa, de ordinario, el líquido entra a poca presión, hasta que hace contacto la estampa con la pieza y entonces es cuando se da aceite a mucha presión.

Generalmente, la prensa hidráulica es más lenta que las mecánicas y se emplea preferentemente para grandes piezas. También puede ser de simple efecto o de doble e incluso de tripe efecto.

Las principales ventajas de la prensa hidráulica son:

• La carrera se puede graduar a criterio del operador
• La velocidad de descenso del carro puede variarse, graduando el paso del fluido, pudiendo hacerla más rápida, hasta el momento de hacer contacto con la chapa; en este punto se reduce para hacer más suave la operación.
• La presión es constante, en toda la carrera.
• La potencia prácticamente no tiene límites y, a igualdad de potencia, son menos pesadas las prensas de tipo mecánico. El cálculo de la potencia está basado en el principio de Pascal.

Entre los inconvenientes podemos citar:

• Trabajan más lentamente que las mecánicas.
• Su construcción es más precisa que las mecánicas y, en general, son las caras que estas.

Clasificación según el tipo de alimentación: normales de alimentación manual y alimentación automática o semiautomática.

 Clasificación según el tipo de trabajo: de simple efecto y de doble o triple efecto

         
       Prensas de simple efecto: 

Presa de simple efecto: En esta prensa existe un solo carro o punzón; todas las estudiadas anteriormente son de este tipo, a excepción de las de excéntrica, doble montante e hidráulicas a las que se pude montar los mecanismos apropiados para que sean de doble efecto.

Prensa mecánica excéntrica de simple efecto: Las prensas excéntricas son las de uso más generalizado, utilizándose para casi todos los trabajos de matricería. Sin embargo, por no prestarse para una graduación fácil y exacta del recorrido, presentan dificultades en los trabajos de embutición ciega (sin salida libre del punzón), pues un descuido en el reglaje puede tener como consecuencia la rotura de los útiles o la prensa

           Prensas de doble efecto: 

Presa de doble efecto: Estas solo se utilizan para trabajos de embutición y están animadas de dos movimientos. El primero está destinado la sujeción del disco, empleando el segundo para realizar la embutición.

Excéntrica con sujetador móvil: en este tipo de prensas, el mando se realiza por leva o palancas articuladas

Prensa excéntrica con mesa móvil de doble efecto: El doble efecto se consigue con desplazamientos simultáneos y de sentido contrario de la corredera y de la mesa; son empleadas en embuticiones complicadas o cuando se prefiere una velocidad de producción más elevada.

 

  Características de las prensas

Para definir una prensa debe tenerse en cuenta las siguientes características:

• Tipo o modelo.
• Esfuerzo máximo aplicable expresado en toneladas, y trabajo (en kgf) que puede desarrollar la prensa.
• La carrera o carreras en milímetros.
• La distancia entre la mesa y el cabezal, las dimensiones de la mesa y del cabezal.
• La potencia del motor.
• Las medidas máximas para saber el espacio que ocupa.
• Las medidas necesarias para las fundaciones previstas para la instalación de la maquina.

  3. MATERIALES

El empleo y enorme desarrollo que han adquirido estos procedimientos en la fabricación de grandes series de piezas de chapa, para aviones, carrocerías de automóviles, electrodomésticos, etc… ha reportado notables ventajas:

• Economía en la fabricación debido a las series grandes.
• Uniformidad de las características mecánicas obtenidas de las piezas, debido a la estampación no se produce ninguna transformación térmica, que pueda alterar las propiedades iniciales de la chapa.
• Excelente acabado superficial de las piezas, que no necesitan ninguna operación posterior, a excepción de pintura u otro recubrimiento superficial para protegerlas de la oxidación o mejorar su aspecto desde el punto de vista decorativo.
• Ofrece más resistencia que las piezas mecanizadas por arranque de viruta, ya que no se rompe la fibra.
• Su elevada producción horaria.
• Su reducido costo por unidad, si se compara con otros procedimientos de fabricación.
• Garantía en la intercambiabilidad de las piezas, ya que todas salen iguales.
• Ligereza de las piezas, debido a que el espesor está calculado para que la pieza ofrezca la resistencia prevista.
• En ciertas fabricaciones este procedimiento resulta insustituible, debido a sus grandes ventajas.

La única desventaja es el enorme costo que supone la fabricación del utillaje, que exige ser proyectado por especialistas, gran precisión en la fabricación y ser concebido exclusivamente para cada tipo d pieza; por esta razón es muy importante la producción en serie, ya que así los gastos del útil hay que repartirlos entre el número de piezas fabricadas.

Características de los metales y aleación empleados

Las condiciones que deben reunir las chapas de los metales y aleaciones para obtener los mejores resultados en la estampación de piezas, son:

• El espesor de la pieza debe ser lo más uniforma posible
• La superficie debe ser lo más perfecta posible, sin marcas, golpes o defectos.
• Las características mecánicas del material deben ser también uniformes.
• El metal o aleación debe ser maleable, en especial cuando se trata de someterlo a deformaciones profundas

El material se presenta en planchas o bien en flejes, es decir, bandas metálicas, cuyas distintas anchuras no suelen sobrepasar los 500mm. Se presentan en forma de rollos.

  

 

Los materiales más utilizados son:

• Chapa de acero: el tipo de acero más empleado es el F-1 111. Para embuticiones profundas se emplean chapas de composición especial, para que las superficies queden pulidas. Las características de una chapa de acero para embutición profunda son: R= 30 a 38 kgf/m²; A=25 a 32%

• Chapas de aluminio y sus aleaciones: Son excelentes para la estampación en frio, y para obtener buenos resultados la chapa debe lubricarse abundantemente. Como es un material blando, debe manipularse con cuidado para no deformar el fleje y la pieza terminada.
• Chapas de latón: como la chapa de latón adquiere acritud con la deformación durante el estampado, se debe recocer cuando se realiza en varias fases. La operación de recocido se realiza de 500º a 575º durante treinta a sesenta minutos. Para eliminar el óxido superficial se decapa, después de haberse enfriado, con una solución al 10% de ácido sulfúrico en caliente.