Fallos de diseño de troqueles y matrices que causan agrietamiento
Una herramienta que se agrieta en el temple o se rompe tras una corta producción a menudo se reporta como un problema de tratamiento térmico, y el reporte a menudo es erróneo. Las esquinas agudas, los agujeros colocados por conveniencia, las marcas de estampado, las secciones pesadas junto a las ligeras y los insertos que nunca se asentaron correctamente introducen tensiones en la herramienta antes de que vea una carga, y un tratador térmico no puede eliminar esas tensiones de la pieza que tiene delante. Esta página enumera los fallos de diseño que se repiten con más frecuencia, qué le hace cada uno a la herramienta, el cambio que lo elimina y los datos de radio de esquina que respaldan la regla de los filetes. Está escrita para diseñadores, fabricantes de herramientas y compradores a quienes se les pide aprobar un plano.
Por qué el diseño es el primer lugar donde buscar
La herramienta no se puede diseñar solo con dimensiones. El diseñador debe saber si la herramienta se templará en agua, aceite o aire, dónde la geometría coloca secciones ligeras junto a las pesadas y cómo se mecanizará la pieza antes y después del endurecimiento. La estabilidad dimensional pertenece a la misma conversación, porque una herramienta que se deforma en el temple no puede devolverse a su tamaño mediante el mecanizado final. Una herramienta que se agrieta durante el endurecimiento es un fallo de diseño con la misma frecuencia que un fallo del horno, y al tratador térmico a quien se culpa se le pidió endurecer una forma que no podía endurecerse con éxito.
La otra mitad del trabajo es la planificación. El diseño debe dejar suficiente tiempo en la ruta para que la herramienta se alivie de tensiones, se precaliente, se endurezca, se temple y se revenga adecuadamente, porque el cronograma es donde la mayoría de estos fallos se convierten en chatarra. Una relación de trabajo con el tratador térmico vale más que cualquier línea individual del plano.
Los fallos de diseño que se repiten con más frecuencia
Seis fallos explican la gran mayoría de las herramientas que se agrietan prematuramente. Cada uno es visible en el plano antes de cortar nada, y cada uno tiene un cambio que lo elimina sin perder la función de la herramienta.
| Fallo de diseño | Qué le hace a la herramienta | El cambio que lo elimina |
|---|---|---|
| Esquinas agudas y chaveteros de esquinas agudas | Las esquinas internas y externas y los chaveteros actúan como intensificadores de tensión. Una esquina aguda es la causa más frecuente de fallo prematuro de la herramienta y puede elevar la tensión local a diez veces la tensión media calculada. | Deje un radio bien redondeado en cada esquina y use filetes generosos dondequiera que la función de la herramienta lo permita. Todo plano debe revisarse en busca de esquinas agudas que la herramienta en realidad no necesite antes de liberarlo para fabricación. |
| Secciones ligeras junto a secciones pesadas | La sección ligera se enfría y endurece primero durante el temple, mientras que la sección pesada a su lado todavía está caliente. Las tensiones diferenciales de enfriamiento y transformación que se acumulan pueden superar la resistencia última del acero y producir distorsión o agrietamiento. | Donde la forma sea inevitable, elija un acero de temple al aire para que toda la pieza se transforme a una velocidad que la sección pueda soportar. |
| Agujeros mal colocados | Los agujeros ciegos, los agujeros roscados y los agujeros colocados sin criterio dejan paredes delgadas y débiles entre el agujero y el borde de la matriz. Esas paredes ven las mismas tensiones diferenciales de enfriamiento y son difíciles de templar uniformemente, especialmente en un acero templado en líquido. | Coloque los agujeros como parte del diseño en lugar de en el plano después de este. Donde el patrón de agujeros no pueda mejorarse, elija un acero de temple al aire. |
| Marcas de estampado | Una impresión estampada es un cambio brusco de sección cortado en la superficie. Los estampados concentran tanto la tensión residual del tratamiento térmico como la tensión de servicio, y una grieta por tensión a menudo recorre directamente los caracteres. | Use estampados de baja tensión con caracteres redondeados, distribuya las marcas y reduzca el número de caracteres. El grabado con lápiz eléctrico, pintura, etiquetas o ataque químico es la mejor opción. |
| Mecanizado en desbaste | Las marcas de mecanizado profundas son entallas incorporadas y se convierten en los sitios de nucleación de grietas que se abren durante el endurecimiento o en servicio. | Acabe las superficies que verán tensión. Este es el fallo en el que hay que decirle al maquinista y al fabricante de matrices qué significa en el plano una superficie acabada. |
| Un inserto que no está asentado | El inserto de la matriz toca su portaherramienta solo en los bordes, por lo que la carga se soporta en parte del área. La presión desigual y la deflexión que sigue abren una grieta en la esquina del inserto. | Mecanice para contacto total en la cara de asiento. Donde las dimensiones no lo permitan, mecanice por debajo de medida, alinee la herramienta y añada una lámina de calce del espesor que necesite el área de asiento para que el contacto sea completo. |
Fallos de diseño detrás del fallo prematuro de herramientas, con la corrección para cada uno, del capítulo de diseño de herramientas de Tool and Die Making Troubleshooter.
Radio de esquina y la resistencia al impacto que aporta
La regla sobre los filetes es más fácil de cumplir cuando el tamaño del efecto está sobre la mesa. Los datos a continuación comparan secciones de esquina de la misma herramienta con diferentes radios en la base de la entalla. Cuanto más ancho el radio, más resistente y más resistente al agrietamiento es la sección, y la mayor parte de la ganancia se obtiene al principio. Pasar de una esquina aguda a un radio de 0.020 in. cuadruplica la resistencia al impacto proyectada, mientras que la diferencia entre 0.080 in. y 0.125 in. vale muy poco.
| Radio en la base de la entalla | Resistencia al impacto proyectada | Qué aporta el cambio |
|---|---|---|
| 0.002 in. (0.05 mm) | 4 ft-lbf (5.4 J) | La esquina aguda. La herramienta es más frágil en la raíz de la entalla. |
| 0.010 in. (0.25 mm) | 7 ft-lbf (9.5 J) | Un radio que podría decirse que dejó una lima. La ganancia sobre la esquina aguda ya es la mayor parte de lo que dará un radio mayor. |
| 0.020 in. (0.51 mm) | 16 ft-lbf (21.7 J) | Un radio que un taller mecánico llamaría pequeño. La resistencia al impacto es cuatro veces la de una esquina viva. |
| 0.040 in. (1.02 mm) | 19 ft-lbf (25.8 J) | Un radio que un taller llamaría normal en la esquina de un troquel. |
| 0.080 in. (2.03 mm) | 22 ft-lbf (29.8 J) | Un filete generoso, del tipo que se dibuja cuando el diseñador ha pensado en la trayectoria de carga. |
| 0.125 in. (3.18 mm) | 24+ ft-lbf (32.5+ J) | El radio más amplio de la tabla. Más allá de esto, el beneficio es pequeño frente a la sección que cuesta el radio. |
Comparación aproximada de resistencia de secciones de esquina con radios de diferente tamaño, de Tool and Die Making Troubleshooter. La fuente publica esta comparación para demostrar el efecto del radio de entalla y declara que no debe usarse para proyecciones de resistencia. La resistencia al impacto real también depende del grado, el tratamiento térmico y el acabado superficial.
La comparación no es una promesa sobre un troquel específico, y la fuente lo dice. Lo que sí muestra es la dirección y la magnitud del efecto, lo cual basta para justificar una discusión con un plano que lleva una esquina interna viva sin razón. Donde la pieza está sometida a impacto, el grado en sí es una decisión aparte, y la gráfico de resistencia al impacto y la página de ensayo de impacto Charpy presenta los valores por grado y dureza.
Dirección de grano contra la dirección de estirado
El acero se parece a la madera en un aspecto que importa para un plano. Resiste mejor la rotura contra la veta que a favor de ella, por lo que un troquel cargado a lo largo de la dirección de estirado resistirá mejor el agrietamiento cuando el flujo de grano de la barra corre paralelo a esa dirección. Se han examinado troqueles que se agrietaron a través de una zona estampada y se encontró que su flujo de grano era perpendicular al estirado, lo cual es una decisión de trazado tomada cuando el bloque se marcó a partir de la barra. Reemplazar dicho troquel con la dirección de grano girada y las marcas profundas eliminadas ha producido una gran mejora en la misma aplicación. Cómo se produce la barra y qué efecto tiene eso sobre el flujo de grano se describe en la página de defectos en barras forjadas.
Asentar un inserto para que la carga se soporte en toda la superficie
Una causa de agrietamiento prematuro en las esquinas de un inserto de troquel es el asiento, y no tiene nada que ver con el acero. La cara inferior del inserto debe hacer contacto con su portaherramienta en toda el área. Donde solo tocan los bordes, la carga se soporta en una fracción de la cara, el inserto se flexiona y la grieta se abre en la esquina que recibió la carga primero. Lo mismo ocurre con una lámina de ajuste colocada en el lugar equivocado, por lo que una lámina no es una reparación para un asiento mal ajustado.
Hay dos caminos abiertos cuando las dimensiones no permiten contacto total. El primero es mecanizar el asiento por debajo de medida, alinear la herramienta hasta que asiente correctamente y luego añadir una lámina del espesor que cubra toda el área de asiento en lugar de parte de ella. El segundo es recocer la herramienta, soldar para producir un relleno, volver a tratar térmicamente y remecanizar a medida, que es el camino que se toma cuando el asiento mismo se ha desgastado. Ambos son más baratos que el troquel que se agrieta después de un turno. La ruta de montaje para un inserto ajustado, incluida la interferencia que necesita un ajuste por contracción, está en la página de ajuste por contracción.
Cuando la forma no se puede cambiar, cambie el acero
Algunas herramientas deben diseñarse con la característica que las hace difíciles de templar, y en ese caso el material es la palanca restante. Un acero de temple al aire se transforma a una velocidad que toda la sección puede seguir, lo que elimina el diferencial entre una sección pesada y la sección ligera contigua. Un acero resistente al choque soporta más tenacidad que un grado de trabajo en frío de alto cromo a la misma dureza, que es el cambio que se hace cuando un porta punzón o una sección de troquel de D2 se ha agrietado en servicio y el reemplazo debe seguir funcionando. Cuál de los dos aplica depende de si la falla provino del temple o de la carga, y eso es una cuestión sobre la fractura más que sobre el plano.
Las familias de grados y la dureza que cada una soporta están tabuladas en la tabla de propiedades del acero para herramientas y la tabla de composición. La sustitución específica de un grado de trabajo en frío por uno resistente al choque se describe en la página de resistencia al agrietamiento y la página de resistencia al desportillado.
Cómo se ubica esta página junto al análisis de fallas
Esta página está escrita para la etapa previa a la fabricación de la herramienta, y la página de análisis de fallas de herramientas y matrices está escrita para la etapa posterior a su falla. Esa página parte de la evidencia en la pieza y retrocede hasta una causa preguntando cuándo apareció la grieta, si la superficie está dañada y qué estaba haciendo la pieza cuando se rompió. Esta página parte del plano y enumera las formas que introducen tensión en una herramienta antes de que entre en funcionamiento. La superposición es real y deliberada, y las dos se leen juntas. Cuando la falla es una grieta por fatiga, los puntos de inicio y los efectos de entalla y filete se cubren en la página de falla por fatiga, y el tipo de daño en sí puede acotarse en la gráfico de identificación de modos de daño.
A dónde ir después
Los defectos que una herramienta mal diseñada muestra en el horno se enumeran en la tabla de solución de problemas de tratamiento térmico, y el cambio de tamaño que sufre una herramienta a través del temple está en la página de cambio de tamaño. Cuando la grieta fue abierta por rectificado en lugar del temple, la página de grietas por rectificado cubre el mismo daño superficial desde la otra dirección, y el desgaste que decide el resto de la vida del troquel se expone en la página de coeficientes de desgaste y reglas de diseño.
Uso de esta página en un plano
Esta página es un resumen de referencia de la práctica publicada y no es una especificación de Aobo Steel. Los defectos de diseño y la comparación de radios de esquina se reproducen de Tool and Die Making Troubleshooter, y la fuente imprime la comparación para demostrar el efecto del radio de entalla en lugar de proyectar la resistencia de una herramienta. El grado de acero, la dureza y el tratamiento térmico de una herramienta se confirman en el plano y en el pedido del trabajo, y la decisión de diseño corresponde a la persona responsable de la herramienta.
Fuente, Tool and Die Making Troubleshooter, R. M. Leed, Society of Manufacturing Engineers, 2003.