Escuela de Ingeniería

Ingeniería Mecánica

Metalurgia Física

Análisis de la falla de un punzón.

PROYECTO FINAL

Armando Fernández Mercado

26539

Mexicali, Baja California a martes 11 de Diciembre del 2012

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Índice

1. Introducción. 2 2. Descripción general de la herramienta. 4 3. Descripción de la máquina. 6 4. Descripción del proceso. 7 5. Dimensionamiento y modelación de la pieza. 10 6. Descripción de la pieza tal cual. 11 7. Entrevista. 14 8. Formulación de hipótesis. 15 9. Pruebas y análisis. 16

9.1 Mapeo de durezas. 16 9.2 Metalografía. 17

9.3 Calculo de fuerzas necesaria para lograr el embutido requerido.

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9.4 Análisis del factor de seguridad del punzón. 19 10. Interpretación de resultados. 20 11. Bibliografía. 23 12. Firmas. 24

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1. Introduccio n

En los últimos años se han desarrollado un sin número de tecnologías con

gran rapidez, lo cual ha orillado a que el entorno de producción y fabricación

también esté cambiando rápidamente. En actividades como el mecanizado,

donde las capacidades de los operadores de máquinas herramientas eran de

vital importancia para la calidad del producto, se ha tenido una tendencia a la

utilización de sistemas de control computarizado, cortando así la relación

estricta habilidad-calidad. Estos tipos de sistemas, permiten que la calidad y por

ende, la competitividad de las empresas incremente, sin embargo, estos

sistemas de manufactura dependen de la operación correcta y sin problemas

de sus componentes. Sin duda alguna, para lograr un funcionamiento sin

tropiezos, la implementación de un departamento de detección y diagnósticos

de fallas de procesos y componentes es una herramienta de crucial

importancia.

Las máquinas herramienta son, sin duda, el motor de cualquier sistema de

fabricación moderno. Tanto tornos, fresadoras, taladros, rectificadoras,

guillotinas, prensas, entre otras, forman parte importante en la estructura de

producción de la industria metal-mecánica. El buen funcionamiento de las

máquinas herramientas es un área muy importante para cualquier

departamento de mantenimiento, debido a que se puede encontrar

realmente complicado el dar una solución a los problemas. La complejidad de

la solución radica en la naturaleza del problema, lo más normal, es que se

puedan encontrar fallas de naturaleza electrónica, eléctrica, hidráulica, de

programación, mecánicas etc. Para poder hacer más eficiente el proceso,

puede ser de gran ayuda el identificar los puntos “débiles”, es decir las fallas

más comunes en un proceso o máquina. Dicha identificación permitirá tener un

enfoque más reducido hacia el cual irá guiado el mantenimiento.

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Una vez localizados los puntos débiles, y si dichas fallas son muy

recurrentes, de manera que se escapan del rango de vida que en teoría

deberían cumplir, es importante el reconsiderar la utilización del proceso o

elemento que genera dicha falla. Una herramienta, por ejemplo, está diseñada

para cumplir cierta función, bajo unas condiciones de trabajo específicas y con

un tiempo de vida limitado. Es común encontrar herramientas que fallan

constantemente debido a que el uso que se le da o las condiciones en las que

trabaja son las adecuadas para dicha herramienta.

El siguiente trabajo está enfocado en el análisis de una herramienta que

ha fallado, con la finalidad de identificar la razón de dicha falla. Para poder

realizar el análisis de una manera correcta es importante conseguir la

información necesaria, como lo son el material de la herramienta, las

propiedades físicas esperadas, las condiciones de trabajo, etc., así como

realizar las pruebas de laboratorio requeridas para darle validez a los resultados.

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2. Descripcio n general de la herramienta

DAYTON PROGRESS es el líder a nivel mundial en

el sector de producción de punzones, punzones lisos y

herramientas para estampado de metales de

catálogo o con características especiales. Su amplia

línea de productos precisión para el formado de

metales y herramientas de estampado incluye: head

type versatile punches, ball lock punches, retainers, die

buttons (matrixes) and die springs.

La herramienta a analizar durante este trabajo de investigación es un

punzón para formado del tipo ball lock light duty de forma especial W602. Tiene

una forma geométrica definida por dos cilindros de diámetro y longitud

diferentes unidos por un sanco. La longitud total de la herramienta es de 2.75

pulgadas con un diámetro de trabajo de 0.19 pulgadas.

Figura 2 Punzón Dayton ball lock light duty W602.

El material con el que está fabricada la pieza es un acero de

herramientas de la clase M2, el cual es un acero rápido aleado al tungsteno y

molibdeno, particularmente satisfactorio para herramientas de corte en las que

se requiere mantenimiento de filo y gran tenacidad con buena resistencia al

desgaste y mantenimiento de dureza al rojo.

Figura 1 DAYTON PROGRESS.

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Debido a las cualidades que este acero posee, el acero de herramientas

M2 es comúnmente utilizado en diversas aplicaciones como pueden ser

cortadores, buriles, brocas, brochas, punzones, peines de roscar, fresas,

herramientas para trabajar, dados y como partes estructurales para

condiciones de trabajo severas.

Algunas de las propiedades físicas características importantes se enlistan a

continuación:

Dureza en escala Rockwell C: 59-65 HRC

Maquinabilidad: 45%.

Densidad: 0.294 lb/in3.

Módulo de Young: 3.31*107 psi.

Resistencia a la cedencia: 3.15*105 psi.

Resistencia ultima: 3.47*105 psi.

En cuanto a las propiedades químicas del acero se puede rescatar la

Tabla 1, donde se encuentran los porcentajes de los elementos de aleación:

C Mn Si Cr Mo V W

0.85% 0.30% 0.30% 4.15% 5.00% 1.95% 6.40%

Tabla 1 Porcentaje del contenido de los elementos de aleación típicos en un acero de herramientas M2.

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3. Descripcio n de la ma quina

Neff Press es una compañía que diseña y fabrica prensas de alta

velocidad de producción que llegan a brindar una fuerza de hasta 3000

toneladas. Su catálogo de productos incluye: prensas hidráulicas, prensas de

banco, prensas columna, presas laterales, prensas de piso, compactadores

de viruta de metal, entre otros.

Ha estado proporcionando a la industria metal mecánica con máquinas

hidráulicas duraderas, precisas y seguras por más de 40 años. Neff es el único

capaz de construir una prensa hidráulica para resolver las aplicaciones más

personalizadas.

La prensa utilizada para trabajar con el punzón es una prensa de piso

con un modelo DF40-15M. La máxima capacidad de esta prensa hidráulica es

de 3000 psi.

Figura 3 Prensa hidráulica NEFF DF40-15M. Tabla 2 Información sobre el sistema hidraulico en la prensa.

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4. Descripcio n del proceso

El trabajado metálico de láminas incluye operaciones de corte y

formado realizadas sobre láminas delgadas de metal. El espesor del material

puede ser tan pequeño como varias décimas de milímetro, pero la mayor parte

de los espesores del metal están entre 1/64 pulgadas (0.4 mm) y ¼ pulgadas (6

mm). Cuando el espesor excede de ¼ de pulgada se le llama placa en lugar

de lámina. El material que se usa en el trabajo metálico de láminas se produce

por laminado.

La importancia comercial del trabajo con láminas es significativa.

Considérese el número de productos industriales y de consumo que incluyen

partes de lámina metálica: carrocerías de automóviles y camiones, aeroplanos,

utensilios pequeños y grandes, muebles para oficina, partes de computadoras y

equipo de oficina, etc. Aunque estos ejemplos son obvios debido a que tienen

lámina en su exterior, muchos componentes internos de estos productos se

hacen también de láminas o placas. Las partes de lámina de metal se

caracterizan generalmente por su alta resistencia, buena precisión dimensional,

buen acabado superficial y bajo costo relativo. Se pueden diseñar operaciones

de producción masiva para el trabajo con láminas que abastezca las

cantidades de componentes que se requieren en muchos de los productos

arriba mencionados.

La mayoría de los procesos con láminas metálicas se realizan a

temperatura ambiente (trabajo en frío), excepto cuando el material es grueso,

frágil o la deformación es significativa. Éstos son los casos usuales de trabajo en

tibio (a 0.3 Tm) más que trabajo en caliente.

Las tres grandes categorías de los procesos con láminas metálicas son:

corte, doblado y embutido. El corte se usa para separar láminas grandes en

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piezas menores, para cortar un perímetro o hacer agujeros en una parte. El

doblado y el embutido se usan para transformar láminas de metal en partes de

forma especial.

Las herramientas que se usan para realizar el trabajo con láminas se

llaman punzón y dado, la mayoría de las operaciones con lámina metálica se

ejecutan en máquinas herramientas llamadas prensas. Se usa el término prensa

de troquelado para distinguir estas prensas de las prensas de forjado y

extrusión. Los productos hechos de lámina se llaman troquelados o

estampados. Para facilitar la producción en masa, las láminas de metal se

introducen en la prensas frecuentemente en forma de tiras o rollos. En las

secciones finales del capítulo se describen varias operaciones que no utilizan las

herramientas convencionales de punzón y dado, muchas de las cuales no se

realizan en prensas de troquelado.

El embutido (Figura 4) es una operación de formado de láminas

metálicas que se usa para hacer piezas de forma acopada, de caja y otras

formas huecas más complejas. Se realiza colocando una lámina de metal

sobre la cavidad de un dado y empujando el metal hacia la cavidad de este

con el punzón. La forma debe aplanarse contra el dado por el sujetador de

formas.

Figura 4 Proceso de embutido.

En el proceso de embutido realizado en Rheem se utiliza una placa

circular de material galvanizado G-90 con un espesor de 0.060 pulgadas, para

lograr embutidos con una profundidad de 0.040 pulgadas y un radio de 0.060

pulgadas (Figura 5). En esta operación se realizan seis embutidos de forma

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simultánea, por lo cual el banco donde se monta el material de trabajo

contiene seis matrices ubicadas en la posición que se desea según la pieza y la

fuerza aplicada es de 1200 libras.

Figura 5 Dimensión del embutido final. Figura 6 Matrices montadas en la prensa.

Figura 7 Prensa hidráulica en operación.

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5. Dimensionamiento y modelacio n de la pieza

Plano1 Plano dimensionado del diseño del punzón.

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6. Descripcio n de la pieza tal cual

Durante la revisión del punzón se encontraron diversas evidencias las

cuales sirvieron para guiar el camino de la investigación. A continuación se

citarán cada una de las evidencias seguidas de una fotografía que la

evidencía:

El punzón demuestra una flexión en la punta de trabajo (Figura 8). Al realizar la

medición de dicha deflexión se encontró que el punzón tiene un

encorvamiento aproximado de 0.013 pulgadas (Figura 9).

Figura 8 Pandeo del punzón. Figura 9 Medición de la flexión en el torno.

Decremento en la longitud del punzón. Al medir el punzón en su sección

longitudinal se encontró que ha sufrido un desgaste en su longitud,

disminuyendo de 2.75 pulgadas, su medida original, a 2.725 pulgadas.

Figura 10 Decremento en la longitud del punzón.

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Agrietamiento en la punta de trabajo del punzón (Figura 11). Al realizar la

observación mediante el uso de lupa y de micro fotografías se detectaron

cuatro grietas paralelas al eje longitudinal del punzón. Dichas grietas parten del

filete de la punta de trabajo.

Figura 11 De las 4 grietas encontradas en el punzón, la mayor tuvo una longitud de 1.61 mm y un ancho de 0.12 mm.

Incremento en el área transversal en la sección de trabajo. Al dimensionar el

diámetro de la punta de trabajo se obtuvo un incremento en 0.015 pulgadas de

la medida original, 0.19 pulgadas.

Figura 12 Incremento en el diámetro de trabajo.

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La matriz muestra un desgaste en uno de sus orillas interiores (Figura 13).

Figura 13 Desgaste presente en la matriz.

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7. Entrevista

Ing. Enrique Sánchez. Rheem/Mexicali. ¿Cuál es la función del punzón en el proceso?

Este punzón tiene la función de doblar una placa de metal galvanizado, generando

unas pequeñas hendiduras sin llegar a cortar el producto.

¿Cómo es el desarrollo del proceso?

Primeramente, se ajustan las matrices en la posición adecuada, posteriormente se

coloca el material a trabajar en la prensa y por último, la prensa baja los punzones

con una fuerza de 1200 libras.

¿Por qué falló la herramienta?

La razón más obvia por la que pudo haber fallado es por un mal alineamiento con

la matriz. Otra razón posible pudo haber sido por una mala sujeción de la pieza,

aunque esto no es muy común.

¿Cada cuánto se le da servicio a la máquina?

En Rheem, cada fin de semana se revisa la maquinaria debido a que todo debe

estar en perfectas condiciones.

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8. Formulacio n de hipo tesis

Con base en las observaciones realizadas sobre el estado de la pieza, la

función de dicha pieza y las opiniones del operador y el ingeniero que facilitó la

pieza, se formularon las siguientes hipótesis sobre la razón de la falla del punzón:

1. Dureza fuera del estándar de fabricación.

La dureza del punzón no es la que el productor dice brindar debido a que el

tratamiento térmico al que fue sometida la pieza no fue el adecuado para

lograr la dureza esperada.

2. El material no es el indicado por el productor.

La herramienta no está fabricada con el material que en teoría debe ser.

3. Desgaste natural por trabajo.

La fractura fue ocasionada debido al tiempo de uso de la pieza a analizar, es

decir, cumplió con su vida de trabajo.

4. La herramienta no es la adecuada.

La energía de trabajo que puede soportar la herramienta es menor a la

requerida para realizar el corte del producto.

5. Alineación incorrecta.

El punzón estaba mal colocado con respecto a la matriz, por lo cual estaba

trabajando inclinado generando así una flexión en la punta de trabajo.

6. Mal sujetado.

El punzón estaba mal sujeto a la máquina herramienta lo cual ocasionó un

desplazamiento y la flexión.

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9. Pruebas y ana lisis

9.1.- Mapeo de durezas.

Con la finalidad de conocer las durezas de la pieza, se procedió a utilizar

un durómetro en escala Rockwell C (150 Kg). Dicha prueba se realizó en tres

secciones diferentes del punzón:

Longitud del punzón: Promedio 60.35 RC.

Punta de trabajo: Promedio 60.5 RC.

Figure 15 Muestreo de dureza en la punta de trabajo del punzón.

Punto Dureza Rc.

1 59

2 60.5

3 62

Tabla 4 Tabla de durezas sobre la punta de trabajo.

1 2 3 4 5

Figura 14 Durezas sobre la longitud del punzón.

Tabla 3 Tabla de durezas sobre el eje longitudinal.

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Contorno de la punta: Promedio 61.41 RC.

Figura 16 Muestreo de dureza en el contorno de la punta de trabajo.

9.2 Metalografías.

Figura 17 Acero de herramientas M2 atacado con Nital 3% 637.5X

Punto Dureza Rc.

1 61

2 61.5

3 61.75

Tabla 5 Tabla de durezas sobre la punta de trabajo.

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Figura 185 Acero de herramientas M2, atacado con Nital 5% 637.5X

9.3 Calculo de fuerza necesaria para lograr el embutido requerido.

Con la finalidad de corroborar la fuerza que se aplica al punzón para

realizar su trabajo, en teoría 1200lbs, se recurrió al análisis matemático que se

basa en la siguiente modelo.

Fórmula 1 Fuerza de embutido.

Dónde:

F es la fuerza de embutido

Dp es el diámetro del punzón.

t es el espesor de la placa.

TS es la resistencia a la tensión del material.

Db es el diámetro del disco inicial.

(

)

19

Con lo anterior podemos asumir que es congruente el dato recibido de la

fuente y proceder al análisis del factor de seguridad del punzón.

9.4 Análisis del factor de seguridad del punzón.

Con la finalidad de determinar el factor de seguridad del punzón

trabajando a 1200 libras, se recurrió a la utilización el software de diseño y

análisis SolidWorks 2011. A continuación se mostraran los resultados con la

utilización de la teoría de máximo esfuerzo normal.

Figura 19 Resultados del análisis de factor de seguridad del punzón.

Los resultados revelan un factor de seguridad de 2 en la zona más crítica,

que es la punta de trabajo; con tal dato podemos concluir que el punzón

trabaja de una manera segura.

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10. Interpretacio n de resultados

Una vez realizados las pruebas y análisis necesarios con la pieza, se pueden

empezar a obtener conclusiones relacionando los datos obtenidos con las hipótesis de

falla planteadas anteriormente. A continuación se muestras las razones que refutan o

confirman cada una de las hipótesis.

Dureza fuera del estándar de fabricación:

Para poder confirmar o rechazar esta hipótesis era de suma importancia

la realización de un mapeo de durezas en las diferentes secciones del punzón

para ver si los resultados coincidían con los estándares de producción de

Dayton Progress.

La información obtenida directamente del productor, es que la dureza

de su producto, el punzón, puede variar en un rango de 59 a 64 Rockwell C. Los

ensayos de dureza realizados al punzón arrojaron resultados por arriba de 60

Rockwell C, lo cual descarta por completo esta primera hipótesis.

El material no es el indicado por el productor.

Primeramente, cabe mencionar que el productor brindo la información

sobre la naturaleza del material, es cual es un acero para herramientas de alta

velocidad M2, sin embargo, por políticas de privacidad en cuanto a los

procesos dentro de la compañía, no les fue posible brindar información sobre

los tratamientos térmicos.

Para verificar la coincidencia con el material, se realizaron metalografías

de 400X, atacando con nital a 3% y nital a 5% al metal. Con base en las

metalografías, se puede concluir que sí es el mismo material ya que las

imágenes obtenidas son muy parecidas a metalografías en el manual de la

Sociedad Americana de Materiales (ASM por sus siglas en ingles).

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De acuerdo a tablas sobre efectos de la temperatura de revenido y el

tiempo en la dureza de acero de alta velocidad M2, se concluye que éste

pudo haber sido austenizado a 2225 oF y revenido por una hora a una

temperatura de 1200 oF.

Desgaste natural por trabajo.

Una de las principales razones por las cual una herramienta falla puede

ser porque ya cumplió su tiempo de vida. Por la naturaleza del trabajo del

punzón el productor no da un número de ciclos a cumplir, sin embargo, con las

observaciones realizadas en cuanto al decremento de la longitud, el

incremento en el diámetro de la punta de trabajo y las grietas verticales en el

punzón, dejan claro que el punzón ya mostraba un desgaste por su trabajo

realizado.

La herramienta no es la adecuada.

Cualquier herramienta de trabajo está diseñada para trabajar en ciertas

condiciones o para poder trabajar en un cierto margen de seguridad. Muchas

veces, se tiende a ignorar las recomendaciones del productor en cuanto al uso

por diferentes razones.

Con la finalidad de verificar si la herramienta era la adecuada para la

operación, se realizó una simulación de esfuerzos en el punzón en un software

de diseño. Los resultados arrojan que la parte más crítica del diseño está

localizada en los filetes de la punta de trabajo, lo cual explica por qué las

grietas presentes empiezan en esa región. Sin embargo, ese valor más crítico

del factor de seguridad en la herramienta es de dos, lo cual sugiere que la

pieza sí es segura para esta operación.

Alineación incorrecta.

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Al ser este un proceso en el cual un montador tiene mucho que ver, la

posibilidad de un error humano está siempre latente. Existen dos pruebas que

hacen notorio el acierto en esta hipótesis.

La primera de dichas pruebas, es la existencia de una flexión en la punta

de la herramienta. El que exista ese encorvamiento demuestra que el punzón

estaba trabajando desfasado en relación a la matriz, lo cual género que el

punzón trabajara desalineado. La segunda prueba es la existencia de un

desgaste en la cara interior de la matriz. Esto sugiere que el material estaba

trabajando desfasado, por lo cual se generó dicho desgaste.

Mal sujetado.

De las entrevistas se obtuvo que un fallo no tan común, pero existente es

que el punzón no quede bien sujeto a la máquina herramienta. Sin embargo

esta teoría fue descartada debido a que es un error muy notorio y además no

hay evidencia en la ranura sujetadora del punzón.

De los análisis anteriores se puede concluir que el punzón analizado tiene

dos tipos de fallas, uno por mal alineamiento y el segundo por desgaste. Sin

embargo, el hecho de que sean de dos naturalezas diferentes, no impide el

hecho de que sea una secuencia de eventos, es decir que uno haya

provocado, o agravado la existencia del otro tipo de falla. En mi punto de vista,

el mal alineamiento provocó el incremento de esfuerzos en la sección de

trabajo, lo cual agravó la falla por desgaste.

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11. Bibliografí a

ASM. (1961). Properties and Selection of Metals. Metals Handbook, Vol. 1

ASM. (1972). Atlas of Microstructure of Industrial Alloys. Metals Handbook, Vol. 7

ASM. (1975). Failure Analysis and Prevention. Metals Handbook, Vol. 10

Wulpi, D.J. (1999). “Understanding how components fail”. Metals Park, Ohio: ASM International

Totten, E.G. (2007). “Steel heat treatment handbook”. 2nd Ed. Taylor & Franas Group

Avner, S. (1988). “Introducción a la metalurgia física. México: McGraw-Hill

Groover, M.P. (1997). “Fundamentos de manufactura moderna”. México: Pearson Educación.

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12. Firmas

Pieza brindad por:

___________________________ Ing. Enrique Sánchez.

Ingeniero de procesos y calidad. Rheem/ Mexicali.

Asesorado por:

___________________________ Ing. Bernardo Valadez.

Coordinador de Ingeniería Mecánica

CETYS Universidad.

Trabajo realizado por:

___________________________ Armando Fernández Mercado.

Estudiante de Ingeniería Mecánica

CETYS Universidad.