6. EMBUTICIÓN

6.1 INTRODUCCIÓN A LA EMBUTICIÓN.

La embutición es una operación consistente en obtener una pieza hueca de superficie no desarrollable y del mismo espesor que el recorte primitivo.

Es una transformación de superficie por desplazamiento molecular. Si ha habido estiramiento se puede constatar una disminución del espesor del metal.

La embutición es un procedimiento para el conformado de piezas no desarrollables, que requiere generalmente el empleo de máquinas (prensas) y de utillajes (matrices). Por ello está reservada a los siguientes casos:

• A la fabricación en serie, en la cual permite rebajar considerablemente el precio de coste. Se emplea mucho en construcción de automóviles y para la fabricación de objetos de uso corriente (artículos de menaje, envases, etc.).

TIPOS DE EMBUTICION

Dentro de la embutición podemos distinguir entre:

• Embutición en frío, practicada a la temperatura ambiente
• Embutición en caliente, para la cual la chapa se calienta a temperaturas de forja (800 a 850º C) para el acero suave).

Los gastos de amortización que entraña la compra de las prensas y la fabricación del utillaje para el trabajo en caliente, son generalmente mayores que para el trabajo en frío. Por el contrario, los ritmos de producción son bastante más bajos.

Por otra parte, en caliente no es posible lograr unas tolerancias de cotas tan precisas como en frío, ya que, aunque el utillaje se fabrica teniendo en cuenta la contracción, ésta puede variar de una pieza a otra según la temperatura del material y de los útiles.

• EN CALIENTE

• Cuando el metal o la aleación no se pueden conformar en frío.

• Cuando, debido al espesor y a las características de la superficie de la chapa, la embutición en frío requiere una fuerza superior a la capacidad de la prensa disponible.

• Cuando, en series pequeñas, se desea limitar los gastos de utillaje, siempre elevados, que implica la embutición en frío (material de trabajo más caro, acabado más cuidadoso).

• EN FRÍO

• Siempre que sean necesarias las fabricaciones de grandes series de piezas, y por tratarse de un procedimiento que mejora la productividad respecto al sistema de la embutición en caliente.

• Por que no se modifican o cambian las propiedades de los materiales a cusa del calentamiento.

FENÓMENOS QUE SE DAN DURANTE LA EMBUTICIÓN

La deformación de la chapa se realiza por una compleja combinación de fuerzas de tracción y compresión que se traducen en un flujo de material. Las superficies elementales como la “a, b, c, d,” se transforman en otras equivalentes (en el ejemplo, a,b,c,d); siendo constante el volumen, el espesor se mantiene igualmente constante. 

 

Por otro lado, se producen pliegues en la chapa, por efecto de la compresión, tanto más intensos cuanto menor sea la distancia a los bordes exteriores. Esto se comprende fácilmente examinando la figura; los sectores A’, B’, C’,... representan material sobrante (que no tiene cabida), por decirlo así, que es comprimido por las superficies adyacentes A, B, C, al deformarse para formar un cilindro hueco.

Para impedir la formación de arrugas se aplica una fuerza de compresión normal a la chapa por medio de un pisón o sujetador, sin que ésta sea excesiva, puesto que el material debe fluir sin impedimentos; de lo contrario se produciría un estiramiento del mismo.

FUERZAS INTERVIENEN DURANTE LA EMBUTICIÓN

La chapa se ve sometida a esfuerzos muy complejos de compresión, tangenciales y de tracción en sentido radial. La máxima fuerza de compresión se sitúa cerca del borde. La máxima fuerza de tracción está localizada en una zona próxima a la curvatura del canto.

Para que haya embutición sin desgarro es preciso que el fondo resista la presión del punzón; por lo tanto, esta presión ha de ser inferior a la resistencia del fondo al arranque.

Tomando como base de cálculo la fuerza F necesaria para cortar el fondo, se puede admitir que la fuerza de embutición no debe sobrepasar la mitad del valor de esta fuerza F, para una embutición de doble efecto.

La fuerza ejercida sobre el pisa chapas, por su parte, no debe ser superior a cuatro décimas partes de la fuerza F.

De ello se deduce que la fuerza de presión debe ser, por lo menos, igual a la suma de las fuerzas de embutición, de presión sobre el pisa chapas y también de las fuerzas correspondientes al rozamiento entre la chapa, la matriz y el pisador. 

NOTA: El aumento del radio del canto de la matriz disminuye la fuerza de embutición.

6.2 PRINCIPIOS DE LA EMBUTICIÓN CILÍNDRICA.

La chapa, previamente cortada en forma de disco llamado “desarrollo”, es conformada por la acción de un punzón, que la obliga a penetrar en una matriz, de diámetro mayor que el punzón en dos espesores de chapa más un juego muy pequeño.

NOTA: Puesto que el espacio entre las paredes de la matriz y las del punzón es igual al espesor de la chapa, la pieza “embutida” conserva el espesor inicial de la chapa. Desde el punto de vista tecnológico, la embutición mecánica no es comparable a la manual, ya que ésta implica siempre el trabajo del metal por alargamiento, con la consiguiente disminución de espesor.

 

La embutición mecánica es en realidad un trabajo de recalcado. La superficie del desarrollo original es igual al de la pieza embutida.

 

ACABADOS DE LAS PIEZAS EMBUTIDAS

Por múltiples razones, la altura de la pieza embutida no es uniforme o, si se deja un borde alrededor, la anchura de éste se calcula ligeramente por exceso. En cualquier caso, y de forma general, siempre se prevé un exceso de metal.

La operación que consiste en suprimir ese sobrante se llama recorte o contorneado y se realiza en una prensa cortadora o bien en una de embutir, con un útil de “embutición-recorte”, o también en el torno, con cizalla o con una sierra. 

 

En casi todos los casos, siempre deberemos prever que las piezas embutidas necesitarán de una operación de recorte final puesto que la irregularidad de la superficie más alta de su cuello hará necesaria esta operación.

FORMAS EN QUE SE PUEDEN EFECTUAR LAS EMBUTICIONES

• Embutición SIN pisa chapas, llamada “embutición de simple efecto”, que sólo permite la ejecución de piezas embutidas poco profundas.

• Embutición CON pisa chapas, llamada “embutición de doble efecto”, para piezas embutidas de mayor profundidad.

• Embutición CON pisa chapas y cojín en prensa, llamada “embutición de triple efecto” para piezas irregulares de poca o gran profundidad.

REDUCCIÓN “R” PARA SABER EL TIPO DE EMBUTICION

Si llamamos D al diámetro de la chapa original y d al diámetro de la pieza acabada, la reducción “R” viene definida por la siguiente expresión:

Desde el punto de vista práctico pueden darse las normas siguientes siempre con carácter orientativo:

Son embuticiones fáciles si:

  Son embuticiones medias si:

Son embuticiones profundas o difíciles si:

Siendo "D" el diámetro de disco y "d" el diámetro del punzón

En general ocurre que:

• Si R < 0,4 la embutición cilíndrica puede hacerse en una sola fase y sin pisador.
• Si R >0,4 la embutición cilíndrica puede hacerse en una sola fase, pero con pisador.
• Si R > 0,6 la embutición debe hacerse con pisador y en varias fases.

6.3 EMBUTICIÓN DE SIMPLE EFECTO.

• Embutición SIN pisa chapas, llamada “embutición de simple efecto”, que sólo permite la ejecución de piezas embutidas poco profundas.

La herramienta se compone de:

P = Punzón de embutición cuya sección tiene la forma de la embutición a realizar.

M= Matriz de embutición provista de un agujero que permite el paso de punzón, disponiendo de un espacio igual al espesor del metal.

 

Si coloca un recorte sobre la matriz, cuando el punzón P desciende, se tiene que:

1. El recorte, presionado por el punzón 1, tiende a penetrar en la matriz; la chapa se arrolla sobre A-B apoyándose en C. Un punto cualquiera D del recorte ocupa entonces una posición sobre una circunferencia de diámetro más pequeño. Para conservar la superficie inicial, la chapa formará pliegues o aumentará de espesor.

 

La zona BD genera una formación de pliegues y un aumento de espesor porque la chapa puede deformarse libremente. Lo mismo ocurre con la zona E-D de la figura inferior.

2. Al tener la zona E-D mayor espesor, se produce una laminación entre el punzón y la matriz, para devolver a la chapa su espesor primitivo. Mientras que en el exterior, los pliegues aumentan.

3. En un punto cualquiera de la carrera del punzón 3 tendremos:

De E a D, aumento de espesor; de E a F, parte laminada de espesor constante; de F a D, formación de pliegues, que deben desaparecer por laminado introduciéndose en la matriz. Al caer el punto D sobre circunferencias cada vez más pequeñas, los pliegues van aumentando y acaban por recubrirse. El laminado necesario para devolver a estos pliegues al espesor primitivo originaría una acritud demasiado grande, lo que haría que las piezas debieran considerarse defectuosas.

Con matrices de embutir normales (sin pisador de chapa), solamente se pueden embutir piezas que tengan poca profundidad, es decir, con una pequeña relación de embutición = D - d = <20 · e , como por ejemplo; botes de crema para los zapatos y sus tapas, que se obtienen en prensas alternativas partiendo de chapas que llevan ya un dibujo y un texto impresos. La altura de pared lateral h que puede conseguirse sin prensa chapas está en función del espesor de la chapa s y del diámetro de embutición d, y cumple con la siguiente igualdad empírica:

• ALTURAS MAXIMAS DE EMBUTICIÓN SIN PISADOR

Las fórmulas que mostramos a continuación son válidas cuando el diámetro o el ancho del fondo de la pieza no sobrepasan 25 veces el espesor “S” de la chapa.

6.4 EMBUTICIÓN DE DOBLE EFECTO.

Por embutición de doble efecto se entiende la operación que transforma una chapa plana, en una pieza de forma de cubeta, manteniendo el espesor de la chapa sensiblemente constante.

Este tipo de deformación se consigue mediante una prensa, cuyos elementos principales son: el punzón, el pisador y la matriz.

Para evitar la formación de pliegues, se dispone sobre la chapa y alrededor del punzón, una pieza anular llamada sujetador, o pisador, o bien prensa chapas. Este sujetador se aplica antes del principio de la operación y se mantiene con una presión adecuada a lo largo de toda la operación.

En un momento cualquiera de la carrera descendente del punzón, tenemos lo siguiente;

La formación de pliegues se evitan con la presión del sujetador de tal forma que se produce una compresión lateral de las moléculas, con lo que éstas sólo pueden desplazarse radialmente.

De B a C: la formación de pliegues se evita por la tensión de la chapa resultante del apretado del sujetador.

Observación: En este método de embutición, la parte A-B presenta un adelgazamiento debido a la inercia de la chapa cuando el punzón ataca.

Es por esto que las embuticiones de simple efecto como hemos visto anteriormente tiene la altura de embutición limitada, ya que al no llevar pisachapas a partir de alturas medias se producirían pliegues no deseados.

En cambio en esta embutición de doble efecto como en la de triple que veremos más adelante se pueden trabajar todas las alturas posibles, debido al uso del pisa chapas o pisador.

CONCLUSIÓN: Los dos métodos de embutición son aplicables a embuticiones de alturas diferentes:

• En la embutición de simple efecto, la altura de las embuticiones está limitada por la formación de los pliegues.
• En la embutición de doble efecto, todas las alturas son teóricamente realizables.

PROCESO DE EMBUTICIÓN DE DOBLE EFECTO

Utilizando una matriz con pisa chapas, la embutición se puede descomponer del siguiente modo:

1. El desarrollo se coloca sobre la matriz, provista de un dispositivo llamado “posicionador” o “centrador”, que permite un centraje correcto. El centrador está constituido por un alojamiento torneado o por una corona postiza.

2. El pisa chapas y el punzón descienden.

3. El pisa chapas es el primero que entra en contacto con el desarrollo y, ejerciendo una presión de fuerza apropiada, le mantiene sujeto sobre la matriz.

4. El punzón, que se desliza por el interior del pisa chapas, choca a continuación con la chapa y ejerce sobre ella una presión de embutición. La chapa resbala sobre el borde redondeado de la matriz sin formar pliegues, por impedirlo el pisa chapas, que ejerce presión durante toda la operación de embutición. La parte del desarrollo sujeta entre la matriz y el pisa chapas, forma un collar cuya anchura disminuye a medida que el punzón desciende.

5. Después de la embutición, el punzón y el pisa chapas vuelven a subir, pero la acción del pisa chapas no cesa hasta que el punzón no se ha desprendido totalmente de la matriz. Si persiste un ligero abocardado, es decir, una parte de la pieza sin conformar, la acción del pisa chapas obliga a la pieza embutida a permanecer en la matriz en lugar de ser arrastrada por el punzón.

NOTA: La presión del pisa chapas sobre la chapa debe calcularse cuidadosamente; si es excesiva, el metal, muy embridado, se ve sometido a un esfuerzo de tracción considerable que le alarga y puede romperle; si es insuficiente, el metal se engruesa y pueden formase pliegues.  

Es preciso, asimismo, elegir adecuadamente los radios de curvatura del canto del punzón y de la matriz; ambos constituyen un factor importante en el comportamiento del metal.

Es este caso el proceso de embutición de doble efecto utiliza un expulsor que facilita la expulsión de la pieza terminada.

 

6.5 EMBUTICIONES DE TRIPLE EFECTO.

Se denominan embuticiones de triple efecto a aquellas embuticiones que se realizan con la ayuda de prensas de doble efecto más la suma de un cojín neumático o hidráulico que realiza el que se denomina tercer efecto.

Las embuticiones de triple efecto son muy similares a las de doble efecto, pero se diferencian de las segundas en que el pisador está comandado directamente por un pistón hidráulico o una biela de la propia prensa. Tanto el pistón o pistones, como la biela o bielas que mandan el pisador son independientes de las que mandan el punzón, de manera que podemos regular las primeras sin que se vean afectadas las segundas.

El tipo de pieza más característico que requiere ser embutida en prensas de triple efecto acostumbra a ser una pieza de gran tamaño donde se requiere un gran esfuerzo de pisado. Este esfuerzo de pisado es muy difícil conseguirlo por medio de resortes o cilindros de gas, en consecuencia, siempre nos será mas fácil su regulación por medio de la propia prensa que si lo hacemos por medio de otro sistema.

En los dibujos A, B y C vemos la secuencia de descenso de una prensa de triple efecto y en los dibujos D y E la carrera de ascenso.

  

6.6 LUBRICACIÓN.

Se trata de la interposición de un medio (Lubricante) entre dos superficies en contacto que se deslizan, con el objeto de disminuir el rozamiento entre las mismas.

La lubricación es esencial en esta operación y el orden de eficacia de mejor a peor, de las diferentes formas de lubricar es el siguiente:

• Lubricación de la plancha sólo por el lado de la matriz.
• Lubricación de los dos lados de la plancha procurando no lubricar la parte correspondiente a la base del punzón.
• Ninguna lubricación.
• Lubricación de la plancha en toda la superficie sólo por el lado del punzón.

Los sistemas de aplicación pueden ser por rodillo, pulverizador, pincel, etc.

Como podemos ver en el dibujo inferior las zonas de contacto de las asperezas A y A’ son zonas de generación de altas temperaturas y por lo tanto expuestas a ralladuras y desprendimientos.

TIPOS DE LUBRICACIÓN

Existen varios sistemas de lubricación, pero de entre los más utilizados destacamos los siguientes:

• LUBRICACIÓN HIDRODINÁMICA
• LUBRICACIÓN DE CONTACTO
• LUBRICACIÓN DE EXTREMA PRESIÓN

LUBRICACIÓN HIDRODINÁMICA

Las superficies a deslizar están separadas totalmente por un capa gruesa y continua de lubricante de mayor espesor que la altura de las rugosidades de ambas superficies.

Al elevarse la carga de trabajo o disminuir la viscosidad del fluido pueden llegar a entrar en contacto ambas superficies provocando desgaste, gripajes, roturas o ralladuras.

LUBRICACIÓN DE CONTACTO

En este caso, el espesor del fluido es inferior al del sistema hidrodinámico.

El lubricante forma una capa sólida de recubrimiento de las superficies para mejorar la resistencia al deslizamiento entre ellas. 

LUBRICACIÓN DE EXTREMA PRESIÓN 

Se caracteriza por la existencia de actividad química entre el lubricante y el metal, siendo la capa de fluido similar o inferior a la del caso anterio. 

CONCLUSIONES SOBRE LA LUBRICACIÓN

1. En la deformación de la chapa en procesos de prensado, el régimen de lubricación de contacto es el que predomina ampliamente sobre los demás, sobre todo debido a las altas presiones, a los altos coeficientes de deslizamiento que se necesitan y a la pérdida lateral de lubricante sin posibilidades de reposición.

2. Por la misma razón de la alta severidad de los trabajos de conformación, las altas presiones necesarias y la alta temperatura desarrollada, los lubricantes deben llevar aditivos en cantidades elevadas.

3. La reactividad que puede interesar para formar la capa lubricante mediante combinación con el metal, puede causar corrosión de la herramienta y ataque de las piezas, si se dejan sin limpiar.

4. Para cada metal en concreto, será necesario seleccionar un lubricante que no cause un ataque profundo en la pieza o en la herramienta, pero en la práctica, no será posible encontrar uno distinto para cada operación de conformado. Será preciso recurrir a un tipo de lubricante capaz de cubrir los requerimientos de una amplia gama de operaciones.

5. En el estado actual de la tecnología no es posible formular un lubricante teniendo en cuenta los parámetros de la operación de deformación y la metalurgia del material. Sigue siendo preciso recurrir a la experimentación de una amplia gama de operaciones.

6. Las operaciones intermedias y las manipulaciones, pueden obligar a elegir lubricantes que no sean los más idóneos en cuanto a cualidades de lubricación.

6.7 CALCULOS INICIALES PARA LA EMBUTICIÓN

DETERMINACION DEL DIÁMETRO DEL ELEMENTO A EMBUTIR 

         Uno de los problemas más importantes que se presenta en el embutido de cuerpos cilíndricos, es la determinación de las dimensiones de la chapa de la que ha de salir el objeto embutido.

La determinación de las dimensiones del desarrollo se basa en la igualdad de los volúmenes de material del trozo de chapa inicial y el de la pieza embutida. La importancia de la determinación del desarrollo se basa en tres necesidades:

• Economía de material.
• Facilidad de embutición.
• Reducción del número de útiles.

Con este fin se han probado ciertos métodos que a través de ensayos han conducido a una determinación basada en el cálculo que describimos a continuación. Estos cálculos son aplicables para todos los cuerpos huecos que tengan forma geométrica regular y con sección circular. Para cuerpos irregulares no siempre se puede realizar un cálculo muy exacto y, en muchos casos, debemos valernos de pruebas prácticas realizadas a modo de ensayos.

Para los casos en que el cuerpo a calcular no se encuentre entre los descritos en las tablas, podemos proceder de manera que lo dividamos en pequeños cuerpos de formas más simples cuyo cálculo nos sea más fácil de realizar y, posteriormente, sumar todos los valores hallados.

Determinación del tamaño del disco

Calcular las medidas del recorte necesario para embutir una pieza, significa, en otras palabras, determinar las dimensiones de la chapa plana que tenga el mismo volumen que el de la embutición considerada. Pero como en este cálculo se parte de la hipótesis de que el espesor no varía durante la embutición, será suficiente buscar la igualdad entre la superficie de la embutición y la del recorte.

Embuticiones cilíndricas

El recorte será un círculo (disco) cuyo diámetro se determinará de la siguiente forma:

• Matemáticamente, calculando la superficie de embutición y buscando el diámetro de un círculo de la misma superficie.
• Aplicando las fórmulas simplificadas (ver cuadro de las páginas siguientes)

DETERMINACION DEL NÚMERO DE EMBUTICIONES

No es tarea fácil determinar con exactitud el número de embuticiones necesarias para conseguir el objeto deseado. Las principales dificultades surgen al tener que establecer, a cada operación, la relación exacta entre el diámetro y la profundidad del recipiente.

La determinación del número de operaciones, junto a la del diámetro del disco de partida son dos de las cuestiones más importantes de los procesos de embutición. La necesidad de realizar el embutido en dos o más pasadas viene determinada por la imposibilidad de que el material pueda resistir la elevada tensión radial a que se le somete durante el proceso de embutición debido a la relación existente entre el diámetro inicial del disco y el diámetro del recipiente a embutir.

Las piezas embutidas de gran profundidad, o de forma complicada, no pueden ser obtenidas en una sola operación. Deben ser estiradas en varias operaciones y en matrices diferentes, acercándose así, sucesivamente, a la forma definitiva.

En líneas generales, podemos decir que en una sola operación y de forma aproximada, se puede conseguir una profundidad de embutido igual a la mitad del diámetro del recipiente.

Cuanto más pequeño es el diámetro del punzón respecto al disco a embutir, tanto mayor será la presión necesaria para el embutido. Para que esta presión no provoque la rotura de la chapa, no debe superar los límites de resistencia del material.

La tabla que se indica a continuación, resume de forma rápida el modo de determinar los diámetros y alturas admisibles para la embutición de objetos cilíndricos.

La forma de operar es la siguiente:

• Calcular el diámetro inicial del objeto a embutir.
• Calcular las medidas del primer diámetro y altura a realizar.
• Aplicar, sucesivamente, las siguientes fórmulas hasta que, finalmente, se alcancen las medidas del objeto deseado.

Para el caso más que probable de que las medidas finales calculadas no coincidan exactamente con las de la pieza, se deberá hacer lo siguiente: escoger la fórmula cuyos resultados sean siempre superiores a las medidas de la pieza y, posteriormente, reducir dichas medidas de forma práctica en la matriz, hasta adaptarlas a las de la pieza.

Los factores más importantes que condicionan la calidad y dificultad de las embuticiones vienen determinados por:

• Características del material (propiedades, tamaño del grano, acritud, …)
• Espesor del material (variaciones, constancia, gran espesor, …)
• Tipo de embutición (simple efecto, doble o triple efecto)
• Tamaño de la embutición (profundidad, velocidad, lubricación, …)
• Grado de reducciones (una embutición, dos embuticiones, varias embuticiones)
• Geometría de la embutición (cilíndrica, cuadrada, irregular, …)
• Calidad de los útiles (acabados, radios, pulidos,…)

REDUCCCION DEL DIÁMETRO EN CADA EMBUTICIÓN

Las piezas embutidas de gran profundidad o de forma complicada, no pueden realizarse en una sola operación. Se ejecutan en varias pasadas, con matrices de diámetro decreciente hasta alcanzar la cota deseada.

Analíticamente 

Si D es el diámetro del desarrollo y d1 el diámetro de la primera embutición, d2 el de la segunda, etc.; tendremos que K1 es el coeficiente de reducción para la primera pasada, K2 el de la segunda pasada, etc., y en consecuencia tenemos que: 

Los coeficientes de reducción dependen de la naturaleza del metal y de su espesor. Para determinar el valor de estos coeficientes se emplean diversas fórmulas. A título de ejemplo, he aquí un cuadro que recoge los valores medios de estos coeficientes de reducción para embutición con pisa chapas:

NOTA: A veces interesa aumentar el número de pasadas, a pesar del inconveniente de la multiplicación de los útiles; el trabajo ofrece más garantías, hay menos rechazos, y se puede evitar el recocido (impracticable con una chapa estañada o emplomada).

Para calcular exactamente el diámetro de la pieza, se hacen ligeras correcciones por exceso o por defecto sobre los diámetros intermedios, manteniéndose siempre dentro de los límites de las reducciones admisibles.

Nota: El ejemplo anterior se ha desarrollado considerando que el material a embutir sea de Acero Inoxidable.

Gráficamente

El diagrama que se indica a continuación tienen por objeto calcular el número de pasadas que deben efectuarse para obtener una pieza cilíndrica. Al propio tiempo, permite determinar qué medidas deben darse a cada una de ellas.

En las páginas anteriores se indican las fórmulas para el cálculo analítico de las medidas citadas, y en el diagrama para la obtención de las mismas, por método gráfico.

Una línea vertical trazada, a partir del valor correspondiente al diámetro del disco, cruzará las líneas inclinadas determinantes del número de orden de las operaciones.

Siendo los diámetros y alturas de cada una de ellas, los valores que se leerán, en ambos lados de la tabla, a la altura de la intersección de las citadas líneas. Se tendrá en cuenta que el diámetro debe leerse en la escala correspondiente a la operación que se considere.

Así, se irán comprobando los diámetros, hasta hallar el más aproximado al de la pieza a fabricar.

CASOS ESPECIALES

Embuticiones con aletas

Cuando se desean obtener recipientes provistos de aleta en su parte superior es necesario interrumpir la operación de embutición en el momento justo en que se haya conseguido la altura deseada. Naturalmente, el utillaje deberá ir provisto del correspondiente extractor en su parte central, que facilitará el pisado de la chapa y elevará la pieza una vez sea embutida.

 

Para realizar las sucesivas embuticiones se debe tener en cuenta la siguiente norma:

• Cada embutición quedará interrumpida cuando se haya ganado el material suficiente para la siguiente embutición.

Nota: en el caso de que se embuta más de la cuenta, en la operación siguiente saldrán arrugas, por el contrario, si la embutición es insuficiente, se podría romper la pieza.

Embuticiones escalonadas

Cuando se desean obtener recipientes con forma escalonada con dos o más diámetros, se procede de forma análoga a como se hizo en el ejemplo anterior, es decir, primero se calcula el diámetro del disco de chapa y después se procede a realizar los cálculos de las embuticiones.

Embuticiones de piezas cuadradas o rectangulares

Las piezas cuadradas o rectangulares están formadas por 4 caras planas obtenidas por doblado (a-b) y unidas en sus esquinas por otros tantos radios r1. Al desarrollo de las caras a y b hay que sumarles el desarrollo de los radios del fondo r2 y las alturas h. de las paredes laterales de la pieza.

En ese momento, el desarrollo de la pieza tendrá una forma de cruz a la cual le faltara unir sus esquinas. Esas 4 esquinas equivaldrán a otros tantos cuartos de cilindros de revolución que en este caso se obtienen por medio de embutición.

La forma de calcular y trazar esa parte de la pieza la veremos en la con los ejemplos que mostramos a continuación.

 

Calculo teórico del desarrollo

Existen una serie de sistemas (Bibliografía, estudios, normas, comités, etc.) que han estudiado lo que ellos consideran el mejor sistema para trazar el desarrollo de los recipientes rectangulares o cuadrados, no obstante, aquí solo citaremos uno de esos sistemas porque creemos que es uno de los más válidos y porque en nuestra opinión se acerca mucho a los valores que se dan en la práctica.

"D" es el diámetro del circulo correspondiente al desarrollo del cilindro imaginario de diámetro 2r=d

Los chaflanes BD de 45º son tangentes a la circunferencia de diámetro D-2x

El valor "x" se ha obtenido en base a ensayos; siendo su valor aproximado:

El valor de la curvatura (R):

Trazado:

• Trazar el rectángulo de base l₂ x l₃ ;      en el que       l₂ =l₁ -2r         y        l₃ =l₄ -2r

• Trazar el rectángulo de contorno exterior añadiendo a l₂ y l₃ dos cuadrantes de radio 2r" mas 2 alturas "h".

• Trazar los chaflanes BC de 45º tangentes a la circunferencia cuyo diámetro es "D-2x", tomando como centro la esquina del rectángulo de lados l₂ y l_3. "D" es el diámetro del circulo correspondiente al desarrollo de un cilindro de base semiesférica de diámetro "d" y altura "h+r"; se ha de tener en cuenta que cada esquina es la cuarta parte del mencionado cilindro.

• Los radios de redondeo “R” tienen los centros en C1 y C2 que corresponden a la intersección de la circunferencia de diámetro D-2x con los lados l2 y l3

Ejemplo: Calcular el desarrollo de la caja de la figura de 220x100x60 y de radio de curvatura en el fondo 10.

En cualquier caso, también debemos ser conscientes, de que casi siempre, es conveniente realizar pruebas de desarrollo puesto que es la mejor forma de garantizar la máxima fiabilidad a la hora de construir la herramienta.

Por otro lado, debemos recordar, que el acierto de los valores prácticos obtenidos, dependen en gran medida de muchas y variadas circunstancias que en ocasiones pueden encontrarse en el acabado de los útiles, en los radios de la herramienta, en la calidad de la materia prima, en los radios de embutición, en la velocidad de la prensa, etc., etc. La práctica ha demostrado que, para obtener una correcta embutición, tiene más importancia el espesor uniforme de la materia prima que la exactitud del recorte.

Finalmente, también debemos tener en cuenta, que al hacer una embutición, casi siempre vamos a dejar una aleta o sobrante en todo el perímetro de la pieza, que finalmente recortaremos. Este sobrante o excedente de material, es el que nos ha de permitir que en ocasiones no seamos tan escrupulosos a la hora de determinar el consumo de materia. 

 

RADIOS DE MATRIZ Y PUNZÓN

Si los bordes del punzón y la matriz no estuviesen redondeados, la chapa se engancharía fuertemente en dichos bordes produciéndose la rotura del fondo de la cazoleta embutida.

Por otra parte, si se hace un radio R muy grande en la matriz, a poco que la pieza sea embutida, la acción del sujetachapas será nula y se producirán ondulaciones y arrugas en el disco.

RADIO DE LA MATRIZ “R”

• Cálculo mediante formula

Por consiguiente, el radio R de la matriz debe ser cuidadosamente estudiado y su valor oscilará entre 3 y 8 veces el espesor e de la chapa. También se puede calcular por medio de la fórmula: 

 

Siendo: D=diámetro del disco (mm)

d= diámetro de la matriz (mm)

e= espesor de la chapa del disco (mm)

0.8 es un coeficiente que depende del material:

• Cálculo según el espesor del material

Teniendo en cuenta el espesor de material también se puede adoptar los siguientes valores: 

 

e < 1mm           R = 6 a 8 · e

e > 1 < 3mm     R = 4 a 6 · e

e > 3 < 4mm     R = 2 a 4 · e

En casos especiales de embuticiones poco profundas, nos podemos encontrar que si damos al radio el valor hallado, el sujetador perderá rápidamente su eficacia y podrán aparecer arrugas o roturas en la pieza. En este caso, se puede intentar disminuir ligeramente el valor del radio hallado o bien buscar otras alternativas, como reducir la velocidad de embutición, cambiar de material, modificar la pieza.etc.

El valor del radio de la matriz es muy importante ya que condiciona toda la embutición. Si aplicamos estas observaciones sobre el radio de la matriz, vemos que:

• De él nacen las fuerzas que vuelven a agrupar las moléculas del metal.
• Facilita el deslizamiento y el cambio de dirección de la chapa.
• Disminuye la resistencia al rozamiento.

Conclusión:

• Un radio demasiado pequeño provoca un alargamiento desmedido y riesgos de rotura en la pieza.
• Un radio demasiado grande puede originar pliegues en la chapa (porque el apretado del recorte se realiza a demasiada distancia).
• El radio adecuado permite el deslizamiento normal y un alargamiento débil compensado por la compresión lateral del material.

• Calculo mediante diagramas

A continuación se muestra un diagrama para determinar el radio que debe hacerse en la boca de la matriz, para conseguir una embutición suave, sin roturas ni arrugas.

Teniendo como datos la relación de embutición y el grueso de la chapa, procedemos a trazar una vertical, desde la relación obtenida D-d, hasta el punto de unión de ésta, con la línea correspondiente al grueso de la chapa y, a partir de este punto, una horizontal hacia la izquierda, donde nos indicará el radio r que debemos aplicar.

Otro ejemplo distinto utilizado para el cálculo del radio de la matriz. En este caso se hace después de calcular la diferencia entre el diámetro del disco D y el diámetro de la embutición d. Una vez hallado este valor en la parte inferior del gráfico trazaremos una vertical hasta cruzar con la curva correspondiente al espesor del material y desde ese punto una horizontal hasta encontrar el valor correspondiente al radio.

Como podemos ver, existen diferentes maneras de calcular un mismo dato y todas ellas pueden ser correctas y satisfactorias. La razón de todo ello la podemos encontrar en que los valores reales hallados casi nunca serán exactos y en la mayoría de casos su exactitud dependerá de factores tales como el material, el utillaje, etc. y en cualquier caso, casi siempre deberemos corregirlos y adaptarlos prácticamente.

RADIO DEL PUNZÓN “r”

• Cálculo mediante fórmula

La experiencia ha marcado una relación entre los radios de la matriz y del punzón, aconsejando:

• Cálculo según el espesor del material

En cuanto al radio r del punzón debe adaptarse progresivamente a la forma del recipiente embutido, pero en todo caso, no conviene que sea inferior al espesor e de la chapa: 

 

En ningún caso, el radio mínimo “r” que se aplique al punzón será inferior a 3 - 5 veces el espesor “e” de la chapa.

Bajo ningún concepto, el redondeado de la arista del punzón puede ser muy diferente que el redondeo de la arista de la matriz, en caso de ser extremadamente pequeño o muy diferente al de la matriz provocaría la rotura del material o lo cortaría como si se tratara de una cizalladura.

Las embuticiones con canto muy agudo sólo pueden realizarse a través de varias fases, o bien en procesos muy lentos y muy caros. Un redondeado del punzón siempre debe resultar ventajoso y ha de tenerse en cuenta desde el principio cuando se realiza el diseño de la pieza que se desea fabricar.

Lo expuesto aquí es para embuticiones cilíndricas. Para otros recipientes utilizaremos otras técnicas.

EL JUEGO DE EMBUTICIÓN

Teóricamente:

En la práctica debido a los rozamientos para evitar grietas, zonas endurecidas, altas temperaturas, se aplicara:

Por juego de embutición “u” se entiende la separación entre el punzón y el aro de embutición o matriz. Como resultado de las pruebas realizadas, el juego de embutición en general está entre 1.1 y 1,4 veces el espesor de la chapa. Por lo general, el juego u se calcula partiendo del espesor de la chapa s, en mm, y de un coeficiente a.

Cálculo del juego “u”

Coeficiente de embutición "a"

1.2 para chapas muy duras

1.4 para chapas duras

1.6 para chapas de dureza media

2.0 para chapas muy dúctiles

El especialista observa a menudo que, con la misma chapa y la misma matriz, algunas piezas se rompen debido a que el juego es demasiado estrecho, mientras que, al mismo tiempo, en otras piezas se forman pliegues al embutir debido a que el juego es demasiado grande.

En realidad, este tipo de problemas raramente se deben a un mal dimensionado del juego de embutición, en la mayoría de los casos, el motivo se encuentra en diferencias en el espesor de la chapa.

En lo concerniente a la distribución del juego respecto al aro de embutición y al diámetro del punzón, se recomienda que sea constante en toda su longitud vertical, sin tener en cuenta las variables de espesor que pueda presentar la pieza en sus paredes verticales.

Teóricamente, el valor del juego oscila entre un l0% y un 14% del espesor de la chapa, pero también hay que tener en cuenta las tolerancias de ésta.

El porcentaje de menor cuantía (10%) será para los casos de embuticiones cilíndricas o las partes rectas de las embuticiones cuadradas o rectangulares. Los porcentajes superiores (14%) se aplicarán en las zonas donde sabemos que el material va ha estar sujeto a mayor compresión y en consecuencia va a aumentar su espesor, como por ejemplo los rincones de las embuticiones cuadradas o rectangulares.

Por otra parte, si el juego es demasiado grande, se puede tener:

 

En este pequeño diagrama que tenemos en la parte superior, podemos ver otra manera distinta de aplicar el juego o huelgo de embutición.

En este caso, el juego o huelgo de embutición nos lo da en su totalidad, es decir, la diferencia total que debe existir entre la medida del punzón y la medida de la matriz, mientras que en las formulas de la página anterior nos lo daba de forma radial, es decir, la separación o huelgo correspondía a una sola de las caras del punzón respecto a la matriz.

Tampoco se tiene en cuenta el tipo de material ni la forma geométrica de la pieza en la zona donde ha de ser embutida, si corresponde a una parte cilíndrica o bien a una parte recta.

Estamos viendo en los ejemplos anteriores como existen diferentes maneras de calcular y aplicar el juego o huelgo de embutición según sea el material, los espesores, las zonas radiales o rectas de la pieza,…..etc., todo ello, es producto de diferentes pruebas realizadas con distintos materiales en diferentes condiciones de trabajo, sin que por ello sean contradictorias ni opuestas en su aplicación. 

 

Por todo ello debemos tomar buena nota de lo que aquí se explica y pensar que en algunas ocasiones, los valores resultantes de la aplicación de una formula determinada, quizás no correspondan con el resultado óptimo de las piezas fabricadas. Tal vez, en ocasiones esos valores deban ser retocados o modificados para mejorar el acabado de la pieza o el funcionamiento de la herramienta.

6.8 FUERZA DE EMBUTICIÓN. 

Fuerza de embutición (en kg):

Siendo: D = Diámetro del disco a embutir en mm

d = Diámetro interior de la cápsula en mm

s = Espesor de la chapa en mm
K = Resistencia de la chapa

Chapa embutición . . . . . . . . . . . . 40 Kg/mm2

Acero inoxidable . . . . . . . . . . . . . 70 Kg/mm2

Cobre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Kg/mm2

Aluminio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Kg/mm2

Duraluminio . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Kg/mm2

f = Factor de relación de embutición:

6.9 PRESIÓN DEL PRENSA CHAPAS.

La presión que debe ejercer el pisador sobre la chapa en el momento de ser embutida, se considera muy importante, sin embargo, debemos aclarar que dicha presión no guarda ninguna relación con la que se emplea para casos de corte o doblado.

En el caso que nos ocupa, el pisador debe ejercer su presión sobre la chapa de manera que permita su deslizamiento regular y uniforme sobre los radios de la matriz puesto que una presión insuficiente provocaría la formación de arrugas y en cambio, una presión excesiva impediría la fluidez del material provocando su alargamiento y rotura.

En los casos en que la prensa con la cual se va a trabajar disponga de medios de regulación de la presión del pisador, siempre será más conveniente escoger esta opción puesto que nos permitirá hacerlo de una forma práctica partiendo de la mínima y aumentándola hasta conseguir una pieza embutida de paredes perfectamente lisas.

Para garantizar una presión constante se recomienda trabajar con prensas que dispongan de cojín hidráulico o neumático a fin de garantizar las presiones específicas que se indican a continuación:

Presiones específicas:

Presión del pisador para embuticiones de cuerpos cilíndricos:

Siendo: D = Diámetro inicial del disco de chapa en mm

d = Diámetro final de la pieza embutida en mm

p = Presión especifica según tabla

 

6.10 VELOCIDAD DE EMBUTICIÓN.

Por velocidad de embutición (mm/s) se entiende la velocidad que tiene el carro de la prensa en el momento de entrar el punzón en contacto con el material, es decir, cuando empieza la operación de embutición.  

Según algunos estudios, el valor de la resistencia del material al cambio de forma viene influenciado por la recuperación y la re-cristalización y, en determinados materiales, también por su envejecimiento. Los procesos que tienen lugar, como por ejemplo, el desplazamiento o la nueva reagrupación de los granos de material son debido a la transposición y es por ello que estos procesos, que tienen lugar en el interior de la estructura, se hacen patentes exteriormente al afectar a la curva de fluencia a través de la velocidad de deformación.

Las experiencias y pruebas realizadas con velocidades de embutición bajas, medias y altas, demuestran que la influencia de la velocidad de embutición de cuerpos cilíndricos es pequeña. Sólo es importante realizar la embutición muy lentamente cuando se trata de chapas de cinc o de aleaciones con un notable contenido de cinc.  

También las chapas de acero austeníticas han de deformarse lentamente. En formas difíciles, especialmente no cilíndricas, una disminución notable de la velocidad puede evitar la debilidad del material en los puntos críticos y eliminar el peligro de formación de resquebrajaduras. 

Como ya hemos indicado anteriormente, la velocidad de embutición es la que posee el punzón en el momento en que ataca la chapa. Así pues, existe una velocidad óptima para cada metal, a fin de permitirle el tiempo necesario para pasar al estado plástico sin que se produzcan roturas o adelgazamientos superlativos en su espesor. 

 

Estas son algunas de las velocidades de embutición más recomendables, fruto de diferentes pruebas y experiencias realizadas con PIEZAS CILÍNDRICAS.

(Para embutir piezas de zinc es aconsejable calentarlas a unos 20º C)

Para la embutición de piezas NO CILÍNDRICAS, son preferibles las pequeñas velocidades, pues con ellas se aminora el riesgo de adelgazamiento del material. En cualquier caso, siempre es mas aconsejable la utilización de prensas con variador de velocidad o bien prensas hidráulicas que son las mas adecuadas para trabajos de embutición con un alto grado de dificultad.  

Para este caso, se puede determinar la velocidad con la fórmula:

Siendo: D = Diámetro inicial del disco de chapa en mm

d = Diámetro final de la primera embutición o embuticiones siguientes en mm