¿Qué es la expansión térmica?
El acero crece cuando se calienta. En el trabajo de estampación, ese crecimiento causa problemas.
He construido matrices durante 18 años. Los talleres en los que he trabajado han perdido miles de dólares por piezas que salieron mal porque alguien no tuvo en cuenta el calor. Un troquel progresivo que funciona a 600 golpes por minuto genera fricción. Esa fricción eleva la temperatura del acero del punzón y del troquel. El acero se expande. Las autorizaciones que obtuvo ayer ya no son las autorizaciones que tiene hoy.
Los números
El acero para herramientas se expande aproximadamente entre 11 y 12,5 micrómetros por metro por cada grado Celsius de cambio de temperatura. Eso suena pequeño. En una sección de troquel de 200 mm, un aumento de temperatura de 30 grados añade aproximadamente 0,07 mm a sus dimensiones. Acabas de exceder tu tolerancia en una pieza que necesitaba ±0,05 mm.
El acero D2, el acero A2 y la mayoría de los aceros para herramientas endurecidos por aire- se encuentran en ese rango de 11 a 12,5. El carburo es más bajo, alrededor de 5-6. El metal base que estás estampando tiene su propio coeficiente. El aluminio se expande casi el doble que el acero. El acero inoxidable se encuentra en algún punto intermedio.
Donde aparece
La electroerosión por hilo es el primer lugar donde la mayoría de los talleres de troquelado ven que la expansión térmica causa problemas reales. El fluido dieléctrico controla la temperatura, pero la pieza de trabajo aún se calienta durante el corte. Un bloque que medía 150.000 mm por la mañana podría medir 150.015 mm por la tarde. Algunos talleres no toman medidas finales hasta que la pieza haya reposado durante la noche.
Moler es peor. La rueda genera calor en el punto de contacto. Sin refrigerante de inundación, una rectificadora de superficie puede poner suficiente calor en un inserto de matriz para desviar la ubicación del orificio en varias décimas. Por este motivo, las operaciones de rectificado con plantilla utilizan sistemas de refrigeración con temperatura controlada. Los mejores talleres mantienen su líquido de molienda dentro de 1 grado.
Durante los ciclos de producción, la matriz se calienta siguiendo un patrón predecible. Las primeras 50 piezas a menudo muestran dimensiones diferentes a las de las piezas 500 a 1000. Los operadores de prensa experimentados lo saben. Desecharán los primeros disparos o ajustarán la altura de cierre de la prensa después del calentamiento.
Problemas de montaje del troquel
Un juego de troqueles construido a temperatura ambiente se comporta de manera diferente a la temperatura de funcionamiento. El portapunzones y la zapata se expanden. Los pasadores guía y los casquillos se expanden. Si los materiales no coinciden, el ajuste cambia.
He visto talleres que utilizan casquillos guía de bronce en zapatas de acero sin pensar en el desajuste térmico. El bronce se expande más que el acero. Con el calor, el casquillo se afloja en el orificio. El dado comienza a caminar.
Los pasadores presentan un problema similar. Una clavija deslizante-a 20 grados se convierte en una clavija suelta a 40 grados. Algunas tiendas utilizan un ajuste de interferencia más ajustado para compensar. Otros aceptan el movimiento y lo controlan con bloques de talón.
Qué funciona
Las tiendas con temperatura controlada-ayudan. Mantener la temperatura ambiente a 20 grados ±1 grado hace que la medición sea consistente. La mayoría de las salas de herramientas en las que he trabajado no tenían temperatura controlada. Aprendes a solucionarlo.
Dejar que las piezas se estabilicen antes del mecanizado final es más importante de lo que la mayoría de la gente admite. Desbaste una parte, déjela reposar 24 horas y luego termínela. La pieza alivia las tensiones internas y alcanza el equilibrio con la habitación. Tus dimensiones finales se mantienen.
Los procedimientos de arranque consistentes en la prensa reducen la variación de piezas. Ejecute el troquel durante 15 minutos antes de guardar las piezas. El acero alcanza la temperatura de funcionamiento. Las autorizaciones se liquidan.
Para troqueles que ejecutan aplicaciones calientes-alta-velocidad o material-de gran espesor-los canales de enfriamiento perforados a través de las secciones del troquel extraen el calor. La industria automotriz los utiliza ampliamente para operaciones de estampado en caliente donde la pieza en bruto llega a 900 grados. El agua o el aceite circulan a través de conductos mecanizados en las caras del troquel.
Compensación
Algunos diseñadores de troqueles añaden compensación a sus impresiones. Cortaron el perfil de electroerosión por hilo con un tamaño inferior a 0,01 mm, sabiendo que la pieza crecerá con el uso. Este enfoque requiere datos de producción. Necesita saber exactamente qué tan caliente se calienta el dado y cuánto crecimiento provoca.
En matrices progresivas con múltiples estaciones, cada estación puede expandirse de manera diferente. Las estaciones de formación generan más calor que las estaciones de corte. El diseño de la franja debe tener en cuenta los efectos acumulativos.
La mayoría de los talleres no calculan la compensación térmica. Construyen el troquel para imprimir, ejecutan piezas de prueba, luego detectan y ajustan hasta que las piezas salen bien. Esto funciona. Lleva más tiempo.
Lo que no funciona
Ignorar el problema no funciona. He observado a los fabricantes de troqueles pasar días persiguiendo un problema dimensional que resultó ser una deriva térmica en la sala de rectificado. La unidad de aire acondicionado se encendió y apagó. La temperatura ambiente osciló 5 grados. Cada parte salió diferente.
Confiar en la CMM sin verificar la temperatura ambiente no funciona. Las máquinas de medición por coordenadas compensan su propia expansión térmica. No compensan la parte asentada sobre el granito.
La inspección final apresurada no funciona. Una pieza recién salida de la máquina de alambre no tiene el mismo tamaño que una pieza que permaneció en el banco durante cuatro horas.
La conclusión
La expansión térmica es física. Todo fabricante de troqueles lo sabe. No todos los fabricantes de matrices lo planean. Los talleres que controlan su entorno, estabilizan sus piezas y siguen procedimientos consistentes obtienen mejores resultados. Los talleres que no dedican más tiempo a ajustar troqueles en la prensa.
Los números están en los manuales. El coeficiente de su acero está a una búsqueda en Google. La parte difícil es desarrollar hábitos que tengan en cuenta el calor en cada operación, todos los días. Después de 18 años, todavía tengo que recordarme a mí mismo que debo dejar que las piezas se enfríen antes de medirlas.