El troquelado de partes con propiedades internas

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Troqueles separados
Podría surgir la pregunta de por qué se necesita un mecanizado complejo si todas las características podrían crearse en dos operaciones diferenciadas con dos herramientas separadas. ¿Es decir, por qué no utilizar primero una herramienta para la perforación o el estriado, y pasar luego el material a través de un sistema uniforme de desprendimiento para recortar el perímetro de la parte terminada?

Aunque de esto se tienen precedentes, en términos generales no es recomendable ni práctico. Un proceso de dos pasos y dos herramientas como éste duplicaría en consecuencia el manejo del material, exigiendo una operación de re-apilado entre operaciones de corte. Esto significa también que las oportunidades de hacer partes malas se multiplican porque si alguna de las operaciones se encuentra fuera de ajuste, el producto terminado estará igualmente desajustado. Las tasas de desperdicio se vuelven por tanto prohibitivas, lo mismo que la mano de obra y los costos de tiempo de máquina para realizar dos operaciones diferentes.

El troquel progresivo (ver Figura 7), en el que dos o más herramientas se construyen una al lado de la otra en una carcasa física, puede utilizarse en lugar del troquel separado. Con el troquel progresivo, a medida que el material pasa por la prensa, se crean diferentes propiedades en estaciones diferentes a mientas que la herramienta realiza sus ciclos. Por ejemplo, en esta figura se ve el lado derecho de la herramienta desprendiendo una parte mientras el lado izquierdo crea una línea de estriado y perforación. De manera que, por ejemplo, mientras el material avanza, la parte 4 está siendo desprendida en tanto que la parte 3 está siendo perforada. Nótese que puede haber más de dos estaciones dentro de una configuración de troquel progresivo, dependiendo de la complejidad de la parte terminada que se quiera.

En la configuración de troquel progresivo, debe considerarse con cuidado la progresión de la herramienta, que está definida por el espaciado de centro a centro entre dos estaciones en una herramienta, y la herramienta se construye de acuerdo a las especificaciones del escalonamiento de las partes. La herramienta debe construirse con mucha precisión para igualar este escalonamiento, y el original debe ser igualmente impreso de manera apropiada para permitir esta igualación.

Existen numerosas ventajas para la configuración de troquel progresivo. Para formas sencillas, el troquel progresivo tiene un costo moderado, quizás sólo 50% más que una herramienta ordinaria de desprendimiento para esa aplicación. Los troqueles progresivos pueden ser utilizados de manera flexible de modo que pueda optarse por su empleo sólo como herramientas de desprendimiento si una aplicación no requiere líneas de estriado ni perforaciones. Esta capacidad para un doble propósito permite el manejo de aplicaciones diversas con una herramienta. Por ejemplo, podrían hacerse etiquetas de equipaje y tarjetas de crédito con la misma herramienta, simplemente quitando la parte de herramienta que crea las ranuras internas de la etiqueta de equipaje cuando se están produciendo las tarjetas de crédito. O, uno podría diseñar las alturas de los diferentes elementos de la herramienta para que los ajustes en la altura de cierre de la prensa produzcan como resultado la presencia o ausencia de ciertas características de troquelado en la parte terminada. Debido a que potencialmente se puede modificar en un número infinito de maneras la penetración de una herramienta, ésta puede ser tan versátil como lo permita la planificación anticipada de su diseño. Esto significa que por un costo incremental, una herramienta puede construirse con la suficiente flexibilidad para respaldar una gran variedad de aplicaciones.

Existen sin embargo claras desventajas para la configuración de troquel progresivo. El registro puede ser problemático porque la impresión debe igualar totalmente las dimensiones de la herramienta, o se presentarán errores de posicionamiento entre una estación y otra que traerán como resultado partes defectuosas. Si la impresión no iguala las especificaciones del escalonamiento (la progresión) de la herramienta, será necesario escoger entre posicionar el material para tolerancias correctas en el espacio de desprendimiento a lo largo del perímetro externo o tener las características internas posicionadas correctamente con el desprendimiento desajustado. Si se presentan problemas de registro entre la impresión y el corte, lo más que podrá hacer un troquel progresivo que corte en dos estaciones será cometer dos veces los errores. De modo que una configuración de troquel progresivo nunca podrá igualar la precisión de un sistema de herramienta que sólo tenga que posicionar el material una vez.

Otro problema inherente es el rendimiento de este tipo de herramienta, ya que una configuración de troquel progresivo significa que siempre existe al menos un ciclo adicional de la prensa para completar una parte. Por ejemplo, si se tiene una tira de 10 partes trazada en ésta, la herramienta necesitará hacer el ciclo 11 veces para producir las partes. Esto significa que por cada 10 partes hechas se está perdiendo el 10 por ciento de la producción total de la máquina. O, si hubiese 5 partes por tira, la pérdida sería de 25 por ciento del rendimiento de la máquina, y así sucesivamente, de acuerdo con el tamaño relativo de la máquina y de las partes. Para plantas que operan cerca de su capacidad, este factor de costos puede hacer que sean más económicos otros tipos de mecanizados para partes más complejas, incluso si tienen costos iniciales más altos.

Troqueles compuestos

Los troqueles compuestos son esencialmente dos o más herramientas instaladas una dentro de la otra.

Las Figuras 8 a 14 muestran varios aspectos de la configuración de troqueles compuestos.

La  Figura 9 y la Figura 10 muestran cómo se está creando un orificio en la parte impresa.

La  Figura 11 muestra la relación entre la herramienta compuesta y la parte terminada.

Uniendo todas estas partes, el sustrato rojo se troqueló con éxito con todas las propiedades internas en un golpe de la prensa, como se muestra en la Figura 12.

A diferencia de los troqueles progresivos en los que las partes troqueladas se desprenden del área de corte, un troquel compuesto es siempre un troquel de retorno a la bobina, como se muestra en las Figuras 13 y 14.

Existen muchas maneras de diseñar un troquel compuesto, pero dado que no hay un lugar al cual vaya la parte terminada, durante una operación con un troquel compuesto la parte debe empujarse de regreso a la bobina de desperdicio de modo que luego pueda sacarse de la herramienta y extraerse de una u otra manera más adelante durante la operación de troquelado. Esta necesidad de un proceso de extracción por partes separadas es una desventaja del sistema de troqueles compuestos.

Existen numerosas ventajas en un sistema de troquel compuesto, siendo la principal la alta e incomparable precisión mecánica de un proceso de un solo paso. Las ubicaciones relativas del hueco perforado, las línea de estriado, y los cortes perimetrales serán tan repetibles y precisos como sea la habilidad del fabricante de los troqueles. Por ejemplo, utilizando las mejores prensas de intervalo con registro óptico, se puede contar con una precisión de 0.1 mm en el registro de corte a impresión, lo que resulta muy importante para partes complejas.

Una segunda ventaja de una configuración de troquel compuesto es su rendimiento. Debido a que todas las propiedades internas y de perímetro de la parte se crean en un ciclo, no se presenta pérdida de ciclos. Eso significa que si una tira se diseña para crear 10 partes, esas 10 partes se producirán en 10 golpes de la prensa.

Los troqueles compuestos tienen por lo general muchas partes móviles y requieren un trabajo de maquinado de alta tolerancia para su creación. Por esa razón, los troqueles compuestos cuestan por lo general 2.5 veces más que los troqueles estándar de desprendimiento (cerca de 150% más de costo), y si una aplicación no requiere el tipo de precisión que un troquel compuesto puede brindar, su costo no será por lo general justificable.

La complejidad del troquel compuesto significa también que es por naturaleza menos confiable. Por ejemplo, son por lo general más sensibles a golpear un espesor doble de material, o a problemas similares de atascamiento o alimentación con el posicionamiento del material, cuando se compara con los troqueles estándar de desprendimiento. Esto a su vez se traduce en un cronograma de mantenimiento ligeramente mayor, y los troqueles complejos no pueden alcanzar usualmente el estándar de los mejores troqueles de desprendimiento que necesitan tan solo ser reafilados cada 3 millones de ciclos.

Los sistemas requeridos de embutido que se requieren para la extracción de las partes significan también más costos, tanto por el mecanismo de embutido como por el tiempo que toma este paso en la operación.

Troqueles de plecas
Los troqueles de plecas, como se muestra en las Figuras 15 y 16, tienen una construcción totalmente distinta a las de las herramientas duras.

La sección de desprendimiento del troquel de pleca, que se muestra en verde en la gráfica, está hecha de un material de caucho que puede colapsar cuando la parte se está cortando y luego se retrae, empujando efectivamente la parte fuera de la cuchilla. Es típico que se forme un orificio con una parte que se está maquinando de manera separada, algunas veces consistente sólo en una sección de entubado que se ha agudizado, o algunas veces por el doblez del material de la cuchilla de corte. Generalmente, las tablas del troquel están hechas de madera aglomerada de alta calidad, aunque otros utilizan materiales sintéticos.

La ventaja predominante de un troquel de pleca es su costo, que resulta ser 95% menor que el de la herramienta estándar de desprendimiento. Esto quiere decir que un troquel de pleca de 150 dólares puede utilizarse en lugar de una herramienta dura de 30.000 dólares. Otra ventaja es el tiempo relativamente corto del plazo de entrega para un troquel de plecas. Si se tienen tanto el diseño de la parte y una relación de trabajo con un fabricante experimentado, su tiempo de preparación será normalmente de 48 horas o menos. Por otra parte, los cambios entre trabajos son muy rápidos con los troqueles de plecas. Simplemente se desliza una tabla de madera dentro y fuera de la prensa y se pueden esperar tiempos de entre 5-10 minutos para cambios de trabajos. Los mejores sistemas de prensas de intervalo con registro óptico alinean los troqueles de plecas en la posición correcta y lo hacen de tal manera que es totalmente repetible con cada alistamiento de trabajos.g

Con los troqueles de plecas, como sucede con tantas otras cosas, se aplica por completo el adagio de "Usted recibe por lo que paga". Las ventajas de los troqueles de plecas se contrarrestan con varios inconvenientes o limitaciones que los hacen inadecuados para muchas aplicaciones. La principal desventaja de los troqueles de plecas es su baja precisión mecánica, debido a la tendencia de las cuchillas a doblarse o desviarse mientras están cortando. Aunque las cuchillas pueden fabricarse con precisión, los cortes que hacen no son tan repetibles debido a su inestabilidad. Por ejemplo, una parte con un diámetro deseado de 1 pulgada (25 mm), puede estar desajustada hasta (0.05mm), lo que no representa una estabilidad dimensional muy buena. Para aplicaciones donde la estabilidad dimensional no constituye un factor crítico, los troqueles de plecas pueden funcionar bien. Sin embargo, no pueden usarse para aplicaciones como las tarjetas estándar CR80 utilizadas para usos financieros, debido a que las dimensiones variables de las tarjetas pueden ser de tal magnitud que se atoren en los lectores regidos por factores de estabilidad dimensional de las tarjetas. Otra desventaja inherente a los troqueles de plecas es su corta vida. En el mejor de los casos, un troquel de plecas puede trabajarse unos 150.000 ciclos. La mayoría de las veces, dependiendo del material que se esté cortando, el número de ciclos es mucho menor a 150.000, quizá tan bajo como 10.000.

Al igual que los troqueles compuestos, los de plecas son troqueles de retorno a la bobina, lo que significa que usted requiere incurrir en el costo de algún tipo de proceso de extracción de las partes y del tiempo de la mano de obra necesario para operar las máquinas que desprendan efectivamente las partes.

Existen básicamente dos esquemas principales para el desprendimiento de las partes. Una consiste en el uso de un sacabocados neumático para desprender las partes como se muestra en la  Figura 17.

Un inconveniente es que la estación de desprendimiento necesita igualar la herramienta que se utiliza, o tiene que ser ajustable de alguna manera para acomodarse a las diferentes formas y disposiciones de las partes, lo cual puede llegar a ser un obstáculo en la producción para plantas que hacen muchos cambios de trabajos para tirajes cortos.

Un método alternativo que se muestra en la Figura 18 usa el principio de extraer las partes cortadas moviendo la bobina a través de una curva pronunciada sobre un radio corto, mediante su tracción sobre un rodillo o un elemento equivalente. A medida que la bobina gira, las partes son liberadas y pueden apilarse o recogerse. Esta solución es más sencilla para aplicaciones de bobina, pero existen también extractores de partes con capacidad de agarrar nuevas tiras en aplicaciones de hojas que utilizan el mismo principio de la desviación de la bobina para separar las partes. La desviación de bobina es en ocasiones un método superior debido a su versatilidad para manejar partes con formas diferentes sin necesidad de realizar ningún ajuste de herramientas de extracción. De otra parte, el método de desviación de la bobina puede presentar dificultades con ciertas formas de partes e implica la necesidad de mantenerlas orientadas adecuadamente para poder extraer las partes con seguridad.

Para muchas partes complejas con propiedades internas, se recomienda a menudo la combinación de diferentes métodos de extracción usados secuencialmente, como se muestra en la  Figura 19.

Este ejemplo muestra la remoción de las parte internas seguida por la extracción de la parte completa.

Resumen - Opciones de herramientas
La selección de las herramientas para partes troqueladas complejas con propiedades internas se reduce al conocimiento de los requerimientos mecánicos reales para la precisión mecánica en una aplicación y la longitud de los tirajes esperados. Para tirajes largos de aplicaciones con requerimientos moderados de tolerancias mecánicas, los troqueles progresivos son por lo general la mejor opción. Sin embargo, si existen tolerancias mecánicas muy estrechas en un trabajo de largo tiraje, una configuración de troqueles compuestos puede ser justificable en términos de costos. Para tirajes cortos (es decir de 5.000 o 10.000 partes) de aplicaciones con tolerancias mecánicas laxas, la herramienta preferida sería un troquel de plecas de bajo costo. Debido a su bajo costo y al corto tiempo que demanda su preparación, los troqueles de plecas se usan a menudo en trabajos de prototipos que podrían finalmente utilizar herramientas duras de uno u otro tipo, porque para cualquier trabajo en el orden de 1 o más millones de partes es muchas veces menos costoso pagar por una herramienta dura que estar reemplazando continuamente los troqueles de plecas.

Las consultas acerca de la selección del tipo de diseño de la herramienta se ofrecen por lo general sin costo alguno por parte de los fabricantes de sistemas de troquelado. Como advertencia, es bueno asegurarse de que las consultas se hagan sólo con los fabricantes que sean igualmente expertos en todos los tipos de herramientas discutidas en este artículo: troqueles progresivos, troqueles compuestos, y troqueles de plecas. Esto asegurará que usted reciba una información objetiva e imparcial sobre la tecnología que mejor se adapte a los retos de producción que se tienen por delante.

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