Ajuste por Contracción de Insertos para Herramientas y Troqueles
Un ajuste por contracción sostiene un inserto en su retenedor por interferencia en lugar de por sujetadores, y cumple una segunda función al mismo tiempo. La interferencia somete el inserto a compresión radial, y esa compresión contrarresta los esfuerzos de tracción que son la causa habitual de despostillado y agrietamiento en un inserto de troquel. Esta página expone la interferencia sobre la que se construye una aplicación de troquel, la dureza y las dimensiones a las que se mantiene cada parte del par, y cómo se fabrica realmente el ensamble con calor, con frío o con ambos. Está escrita para el taller de herramientas que construye o reconstruye un troquel y para el comprador que debe suministrar el acero para ambas mitades de la unión.
Lo que el ajuste hace por un inserto
El beneficio de ajustar por contracción herramientas, troqueles, postes guía y pasadores en retenedores va más allá de sostener la pieza en su lugar. Un ajuste por contracción correctamente realizado genera esfuerzos de compresión radial en el componente que recibe el ajuste, y esos esfuerzos contrarrestan los esfuerzos de tracción que provocan despostillado y agrietamiento. La pieza que recibe el ajuste es, por lo tanto, más útil que la misma pieza sostenida de otra manera. El ajuste también posiciona el inserto y rigidiza el ensamble, lo cual es importante en un troquel que recibe una carga desigual en toda la cara.
Mecánicamente, la unión es un par de esfuerzos. El inserto es comprimido por el retenedor y el retenedor es estirado por el inserto, y la presión radial entre ambos depende de la cantidad de interferencia y del módulo de elasticidad de cada material. Por eso las dos piezas deben diseñarse como un par, y por eso la elección del material para el retenedor es una decisión de resistencia y no de conveniencia.
Interferencia, el número sobre el que se construye el ajuste
Para que funcione un ajuste por contracción, el diámetro exterior del inserto se fabrica mayor que el diámetro interior del retenedor. La diferencia se expresa por unidad de diámetro, y existe una banda de trabajo con un límite inferior y un límite superior.
| Interferencia, pulg/pulg (mm/mm) | Lo que produce en el ensamble | Cómo se comporta en servicio |
|---|---|---|
| Menos de 0.001 | Poco esfuerzo de compresión radial sobre el inserto | Demasiado flojo para ayudar. El ajuste no somete el inserto a compresión, por lo que no hace nada contra los esfuerzos de tracción que agrietan un inserto en una aplicación de troquel. |
| 0.003 a 0.004 | Alta resistencia de la unión, con presión radial generada en las superficies de contacto | La banda de trabajo. El retenedor soporta esfuerzo de tracción y el inserto soporta esfuerzo de compresión, y la compresión es lo que suprime el despostillado y el agrietamiento. |
| 0.006 o más | Presión radial superior a aquella para la que se dimensionó el par | Interferencia excesiva. Los esfuerzos de trabajo más los esfuerzos por contracción pueden superar la resistencia del inserto o del retenedor y producir una falla por sobrecarga de esfuerzos. |
El rango de interferencia recomendado para ajustar por contracción herramientas y troqueles en retenedores, de la sección de ajuste por contracción de Tool and Die Making Troubleshooter.
El límite inferior existe porque un ajuste con casi nada de interferencia no desarrolla el esfuerzo de compresión radial que justifica todo el ejercicio. El límite superior existe porque el mismo esfuerzo que suprime el agrietamiento en servicio puede, a un nivel suficientemente alto, agrietar el retenedor o el inserto durante el ensamble o en la primera carga. Los esfuerzos de trabajo y los esfuerzos por contracción se suman, y la suma debe mantenerse dentro de la resistencia de la más débil de las dos piezas.
Los puntos de diseño que deciden si el ajuste se sostiene
Un ajuste por contracción se diseña antes de fabricarse, y las reglas siguientes son aquellas de las que depende el ajuste. Varias de ellas son las mismas reglas que se aplican a cualquier pieza de acero para herramientas, por lo que un retenedor sometido a esfuerzo se dibuja con chaflanes, radios de acuerdo y sin conicidad alguna.
| Punto de diseño | La regla | Por qué está en la lista |
|---|---|---|
| Material del retenedor | Un acero aleado capaz de endurecerse a 32 a 43 HRC | El retenedor es la pieza en tracción, por lo que debe ser lo suficientemente resistente para sostener el ajuste sin ceder. |
| Retenedores para servicio pesado | Acero para herramientas resistente al impacto, tratado térmicamente a 48 a 52 HRC | Cuando el troquel recibe impacto además de la carga del ajuste, se especifica un material de retenedor más tenaz en lugar del acero aleado general. |
| Balance de esfuerzos | Los esfuerzos de trabajo más los esfuerzos por contracción deben mantenerse dentro de la resistencia de ambas piezas | El ajuste agrega esfuerzo a una herramienta que ya verá esfuerzo de servicio. Los dos se suman. |
| Diámetro exterior del retenedor | Al menos el doble y preferiblemente el triple del diámetro interior | La pared alrededor del inserto debe soportar el esfuerzo circunferencial de la interferencia sin deformarse. |
| Conicidad | No se utiliza un diseño cónico ni en el inserto ni en el portaherramienta | Un asiento cónico no puede mantener un contacto uniforme en toda la circunferencia, y la presión se concentra donde el ajuste es más estrecho. |
| Esquinas y bordes | Achaflanar esquinas y bordes y proporcionar radios generosos | Los mismos concentradores de tensión que agrietan un troquel en el tratamiento térmico están presentes en el portaherramienta. |
| Superficies de contacto | Rectificado a un acabado liso de aproximadamente 5 a 25 micropulgadas (0,13 a 0,64 micrómetros) | El contacto debe ser continuo alrededor de la unión para que la presión radial se desarrolle según lo diseñado. |
| Tolerancia de mecanizado | Rectificar dentro de 0,0005 in. (0,013 mm) de la dimensión requerida | La interferencia es la diferencia entre dos diámetros, por lo que ambos se mantienen a una fracción de la interferencia misma. |
| Holgura de montaje | Proporcionar la holgura necesaria en el estado expandido o contraído | Las piezas deben ensamblarse mientras una está caliente o una está fría, y un ajuste que solo se ensambla con fuerza es un ajuste que ya ha sido dañado. |
Puntos de diseño y preparación para el ajuste por contracción de un componente de herramienta o troquel en su portaherramienta, de la sección de ajuste por contracción de Tool and Die Making Troubleshooter.
Montaje, por calor, por frío, o ambos
La mayor parte del ajuste por contracción se realiza calentando el portaherramienta hasta que se haya expandido lo suficiente para recibir el inserto. El límite de ese método es el tratamiento térmico del propio portaherramienta, porque una pieza calentada por encima de la temperatura a la que fue revenida por última vez sale más blanda de lo que se fabricó. Un portaherramienta que debe mantenerse a 48 a 52 HRC no puede expandirse con un soplete y sin termómetro.
El segundo método es contraer el inserto. La congelación profunda para el ajuste por contracción se hacía antiguamente con hielo seco a aproximadamente -120 F (-84 C), y el nitrógeno líquido a aproximadamente -300 F (-184 C) se utiliza con más frecuencia ahora. La temperatura más baja del nitrógeno líquido ha hecho posible realizar muchos ajustes sin calentar el portaherramienta en absoluto, lo que elimina el riesgo de pérdida de dureza en el paso de montaje. Conlleva un riesgo propio, porque el inserto debe enfriarse lentamente. Sumergido directamente en nitrógeno líquido, un inserto puede sufrir choque térmico y agrietarse por el cambio de temperatura, y la grieta puede no ser visible hasta que el ajuste esté bajo carga. La contracción varía con la temperatura bajo cero alcanzada, por lo que cuanto más frío se lleve el inserto, más se contrae y más fácil resulta el montaje.
Cualquiera que sea la ruta utilizada, el acabado del trabajo importa tanto como los números. Limpiar y secar ambas piezas, ensamblarlas con un mínimo de demora, y dejar que el conjunto vuelva lentamente a la temperatura ambiente en lugar de enfriarlo o calentarlo rápidamente. El ajuste por contracción no se alivia de tensiones después, porque la tensión de compresión en el inserto es el objetivo de la operación. El lado bajo cero del proceso se describe más adelante en la página de tratamiento criogénico, y el tratamiento que establece la dureza del portaherramienta en la página de tratamiento térmico de acero para herramientas de trabajo en caliente.
Dónde falla un ajuste por contracción
Cuatro fallas explican la mayor parte de los problemas. Una pieza calentada por encima de su temperatura de revenido pierde dureza, y el portaherramienta entonces cede antes de la carga para la que fue diseñado. Una interferencia demasiado pequeña deja el inserto sin la tensión de compresión que evita el desportillado de los bordes, por lo que el troquel se comporta como si el ajuste nunca se hubiera hecho. Una interferencia demasiado grande agrieta el portaherramienta o el inserto durante el montaje, o deja ambas piezas llenas de tensiones residuales que se suman a la carga de servicio. Un asiento cónico, o un par de superficies de contacto que no están rectificadas con precisión, concentra la presión en parte de la circunferencia y produce el mismo resultado que una interferencia excesiva en ese lado.
El lado del acero del problema es menor que el lado del montaje, y las fallas anteriores son la razón por la que un troquel que se agrieta en servicio no siempre es una cuestión de tratamiento térmico. La ruta de diagnóstico para un troquel que ya ha fallado se expone en la página de análisis de fallas de herramientas y matrices y la página de resistencia al agrietamiento, y los defectos de diseño que introducen tensión en una herramienta antes de que siquiera funcione están en la página de defectos de diseño de herramientas y troqueles.
A dónde ir después
El material para un portaherramienta se elige en las mismas tablas que cualquier otra pieza de herramienta, en la tabla de propiedades del acero para herramientas y la tabla de composición. Para un inserto que está cargado por impacto, los grados resistentes al choque se describen en la página de S7 y la página de resistencia al desportillado, y el temple que cada grado necesita antes de ser ajustado está en la tabla de temple. Para bloques y redondos cortados a medida para un portaherramienta y su inserto juntos, la página de suministro establece cómo trabajamos.
Antes de cortar un portaherramienta con estos números
Esta página es un resumen de referencia de la práctica publicada y no es una especificación de Aobo Steel. Los valores de interferencia y los puntos de diseño se reproducen de Tool and Die Making Troubleshooter, y el ajuste realmente requerido depende de la sección, los materiales y la carga en su troquel. Las tensiones de trabajo y las tensiones de contracción deben ser verificadas contra la resistencia de ambas piezas por la persona que diseña el conjunto, y las dimensiones finales se confirman en el plano del trabajo.
Fuente, Tool and Die Making Troubleshooter, R. M. Leed, Society of Manufacturing Engineers, 2003.