Recibido: 23 noviembre 2023
Aprobado 29 junio 2024
Volumen 3. Número 1. Año 2024, p. 31-42
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Diseño de un molde de corte para arandelas automotrices
Design of a cutting mold for automotive washers
Jairo Edison Guasumba Maila
1
, Diego Andres Calero Torres
2
, Luis Patricio Criollo
Yanchatipan
3
, Victor Alfonso Garay Cisneros
4
.
5
Resumen:
En la industria automotriz, la fabricación de componentes de precisión, como las
arandelas, requiere moldes de corte de alta calidad y precisión. Este estudio analiza
el diseño de un molde de corte utilizando SolidWorks 2018, una herramienta de
modelado 3D ampliamente utilizada en ingeniería. La matricería es una técnica de
manufacturación en frío que permite obtener elementos mediante el uso de una
prensa, logrando fabricar varias piezas a la vez por corte o deformación. Este proceso
conserva el espesor inicial de la chapa, aplicando una fuerza de compresión que inicia
con la deformación, sigue con el cizallamiento y finaliza con la rotura del material y la
expulsión de la pieza cortada. Los materiales más utilizados para la fabricación de
moldes son el Acero K100, el AISI 1045 y el 4340, seleccionados por su tenacidad,
resistencia y capacidad para soportar altas temperaturas. Estas relaciones pueden
ser estándar, avanzadas o mecánicas. Utilizando el Método de Elementos Finitos
(MEF), se aplica una fuerza de corte de 50.26 KN para el diámetro menor de la
arandela y 80.52 KN para el diámetro mayor. El diseño de la matriz de corte es
aceptado con un factor de seguridad de 3.7, dentro del rango recomendado de 2.5 a
4 según Robert Mott. Las partes que conforman la matriz incluyen la placa inferior y
superior, la placa porta matriz, punzones, columnas de Ø25 y Ø45 mm, prensas
chapas, topes, guías y matrices de corte. Se evalúan los aspectos críticos del diseño
del molde y se propone una metodología para optimizar el proceso de fabricación de
arandelas automotrices, destacando la importancia del modelado digital en la mejora
de la eficiencia y precisión del producto final.
Palabras clave: Matricería, Cizallamiento, Método de Elementos Finitos, Fuerza de
corte, Matriz.
1
Instituto Superior Tecnológico Tecnoecuatoriano, Magister en Diseño Mecánico con Mención en Fabricación de
Autopartes, https://orcid.org/0000-0002-0533-0397
2
Instituto Superior Tecnológico Tecnoecuatoriano, Magister en Energías Renovables, https://orcid.org/0000-
0003-4754-4251
3
Instituto Superior Tecnológico Tecnoecuatoriano, Magister en Educación Mención en Gestión del Aprendizaje
Mediado por TIC, https://orcid.org/0000-0003-3647-2918
4
Instituto Superior Tecnológico Tecnoecuatoriano, Magister en Educación Mención en Gestión del Aprendizaje
Mediado por TIC, https://orcid.org/0000-0001-6739-9309
Autor de correspondencia: jguasumba@istte.edu.ec
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Abstract:
In the automotive industry, the manufacturing of precision components, such as
washers, requires high-quality and precise cutting molds. This study analyzes the
design of a cutting mold using SolidWorks 2018, a widely used 3D modeling tool in
engineering. Die making is a cold manufacturing technique that allows obtaining
elements through the use of a press, enabling the production of several pieces
simultaneously by cutting or deformation. This process preserves the initial thickness
of the sheet, applying a compressive force that starts with deformation, continues with
shearing, and ends with the material breaking and the cut piece being ejected. The
most commonly used materials for mold manufacturing are K100 steel, AISI 1045, and
4340. These relationships can be standard, advanced, or mechanical. Using the Finite
Element Method (FEM), a cutting force of 50.26 KN is applied for the washer's smaller
diameter and 80.52 KN for the larger diameter. The cutting die design is accepted with
a safety factor of 3.7, within the recommended range of 2.5 to 4 according to Robert
Mott. The parts that make up the die include the lower and upper plates, the die holder
plate, punches, columns of Ø25 and Ø45 mm, press plates, stops, guides, and cutting
dies. Critical aspects of the mold design are evaluated, and a methodology is proposed
to optimize the manufacturing process of automotive washers, highlighting the
importance of digital modeling in improving the efficiency and precision of the final
product.
Keywords: Tooling, Shearing, Finite Element Method, Cutting force, Matrix.
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Introducción
La industria ecuatoriana ha desarrollado nuevos procedimientos de trabajo, los
cuales obtuvieron gran énfasis, a partir de la inclusión de producción que se dio en el
país, destacando la producción de elementos en serie los mismos que se originan por
la matricería, obteniendo una diversidad de productos.
La matricería es una técnica de manufacturación en frío que permite obtener
un determinado elemento mediante el uso de una prensa, pudiendo producir varias
piezas a la vez a través de corte o deformación, conservando el espesor inicial. Este
proceso implica el uso de dispositivos mecánicos formados por un punzón y una
matriz, donde se aplica una fuerza de compresión sobre la chapa, comenzando con
una deformación, seguido de un cizallamiento y la rotura del material, y finalizando
con la expulsión de la pieza cortada (García et al., 2018).
Las arandelas son componentes esenciales en la industria automotriz,
utilizadas en múltiples aplicaciones para distribuir la carga de roscas de tornillo,
reducir la fricción y prevenir el desgaste. La calidad de estas piezas depende en gran
medida de la precisión del molde de corte utilizado en su fabricación. El objetivo de
este estudio es analizar el diseño de un molde de corte para arandelas automotrices
utilizando SolidWorks 2018, y evaluar cómo el modelado 3D puede optimizar el
proceso de diseño y fabricación. Según Alvarado, Hernández y Montes (2014), una
matriz generalmente está compuesta por el punzón y la matriz de corte. El punzón
está fijado a una placa llamada porta punzones, que a su vez cuenta con un vástago
sujeto a un cabezal. La matriz de corte, por otro lado, está asegurada a una placa
porta matriz y puede incluir o no un extractor. Esta configuración incluye también una
base matriz con un expulsor.
La matricería es un proceso de manufactura en frío que implica el uso de una
prensa para cortar o deformar material, generalmente metal, para obtener piezas de
formas específicas. Este proceso se realiza mediante dispositivos mecánicos
compuestos por punzones y matrices. La técnica de corte mediante matricería
conserva el espesor inicial del material y consta de varias etapas: aplicación de una
fuerza de compresión, deformación inicial, cizallamiento y ruptura del material, y
finalmente, la expulsión de la pieza cortada.
Las fuerzas de corte actuantes según Archundia, 2015 en el proceso de corte son:
- Fuerza horizontales y verticales de corte actuantes en el punzón
- Fuerzas de fricción horizontales y verticales actuantes en el punzón.
- Fuerza de reacción de la matriz
- Fuerzas horizontales y verticales actuantes en la matriz.
- Fuerzas de fricción horizontales y verticales actuantes en la matriz.
- Momentos actuantes en la tira.
- Momentos internos en la pieza troquelada.
La trayectoria de la fuerza de corte está especificada como se detalla a
continuación.
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Figura 1
Trayectoria de la Fuerza de Corte
Nota: Archundia, 2015
La selección de materiales para estos componentes es crucial, y comúnmente
se utilizan aceros como K100, AISI 1045 y 4340 debido a sus propiedades de
tenacidad, resistencia y capacidad para soportar altas temperaturas.
Acero K 100
Se trata de un acero de tipo ledeburíticos de alta resistencia al desgaste y poca
resistencia a la tenacidad, con un 12% de cromo, útiles para aumentar la vida de sus
herramientas. (BÖHLER, 2013)
Figura 2
Parámetros del Acero K100
Parámetros
Unidades
Densidad (kg/dm3 )
7.70
Conductividad térmica (W/(mK))
20
Calor específico (J/(Kg*K))
460
Resistencia Eléctrica Específica (ohm*mm2/m)
0.65
Módulo de elasticidad (N/mm2)
210x103
Nota. BÖHLER, (2013)
El modelado se realiza con una herramienta llamada SolidWorks 2018 que es
un software de diseño asistido por computadora (CAD) que permite la creación de
modelos 3D precisos de componentes y ensamblajes mecánicos. Entre sus
características destacadas se encuentran:
Modelado Paramétrico: Permite la creación y modificación de modelos a
través de parámetros definidos, facilitando cambios y ajustes rápidos.
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Ensamblajes Complejos: Capacidad para diseñar y ensamblar múltiples
componentes, garantizando que las piezas encajen y funcionen correctamente.
Simulación y Análisis: Herramientas integradas para simular y analizar el
comportamiento de los diseños bajo diversas condiciones de carga y
operativas, utilizando el Método de Elementos Finitos (MEF).
Optimización del Diseño: Identificación de áreas de alta tensión y posibles
puntos de fallo, permitiendo ajustes antes de la fabricación del molde.
El diseño de moldes de corte debe considerar factores de seguridad para
garantizar la durabilidad y fiabilidad del molde. Según Robert Mott, un factor de
seguridad recomendado para este tipo de aplicaciones es de 2.5 a 4. Este rango
asegura que el molde puede soportar las cargas operativas sin fallar prematuramente.
El uso de herramientas de modelado digital como SolidWorks 2018 en el
diseño de moldes de corte ofrece múltiples ventajas:
Precisión: Mejora la precisión del diseño, reduciendo errores y retrabajos.
Eficiencia: Acelera el proceso de diseño y permite iteraciones rápidas.
Costos: Reduce los costos asociados con prototipos físicos y pruebas, al
permitir simulaciones detalladas en el entorno digital.
CAD se define como Diseño Asistido por computadora o Dibujo Asistido por
Computadora, siendo un conjunto de aplicaciones que permiten al ingeniero “definir”
un producto a producir, pudiendo representar en 2D y 3D, donde la información
analítica incluye relaciones geométricas, algebraicas y restricciones, que pueden ser
determinadas, mediante superficies cerradas o extrusiones de sólidos, partiéndose
de un boceto inicial que colabore con una idea general de lo que se requiere,
permitiendo procesar imágenes, archivos de tipo fotográficos, pudiendo rediseñar
productos, mediante el uso de sistemas informáticos de tipo hardware y software,
donde el SolidWorks han podido establecer referencias en un mercado educativo
mundial. (La Cruz & Casariego, 2007).
Metodología
Esta investigación se enfoca en un estudio descriptivo que explica paso a paso
el proceso teórico de análisis de la estructura. También se basa en una técnica de
investigación acción participativa, cuyo propósito es conectar el enfoque metodológico
con el proceso computacional desarrollado por los participantes, incluyendo tanto a
especialistas como a técnicos en el área. Esta integración busca superar la tradicional
separación entre sujeto y objeto de estudio (Bernal, 2010).
Aunque esta técnica no es científica en el sentido estricto, los resultados se
interpretarán desde un punto de vista técnico mecánico utilizando un enfoque de
prueba y error. A lo largo del estudio, se monitoreará detalladamente cada paso del
procedimiento para identificar el diseño más adecuado para el molde. Este enfoque
colaborativo permite formar un equipo de trabajo cohesionado, que evaluará el
proceso de análisis de la estructura mediante la comparación de los resultados
computacionales y los obtenidos a través de cálculos.
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Para llevar a cabo este análisis, se sigue un enfoque sistemático que incluye
las siguientes etapas:
Tabla 1
Proceso de modelado
Etapas
Descripción
Especificaciones de
la Arandela
Se establecen las dimensiones, tolerancias y materiales
específicos de las arandelas automotrices que se fabricarán
Modelado del Molde
de Corte en
SolidWorks 2018
Utilizando SolidWorks 2018, se modela el molde de corte,
considerando todos los componentes y mecanismos necesarios
para el proceso de estampado
Análisis y
Optimización del
Diseño
Se realiza un análisis del diseño del molde utilizando las
herramientas de simulación de SolidWorks, evaluando aspectos
como el flujo de material, las tensiones en el molde y el desgaste
potencial
Validación del
Diseño
Se valida el diseño del molde mediante el Método de Elementos
Finitos, en función de los resultados obtenidos en el estudio
investigativo
Resultados y discusión
El modelado en SolidWorks permitió visualizar y ajustar detalles críticos del diseño
del molde, tales como:
Distribución de Fuerzas: La simulación del flujo de material K – 100
seleccionado y la distribución de fuerzas reveló áreas de alta tensión que
fueron reforzadas para prevenir el desgaste prematuro del molde.
Precisión Dimensional: El uso de herramientas de medición y tolerancia en
SolidWorks garantizó que las dimensiones del molde cumplieran estrictamente
con las especificaciones de las arandelas.
Optimización del Proceso de Estampado: Se identificaron y corrigieron posibles
problemas de alineación y funcionamiento de los mecanismos del molde,
mejorando la eficiencia del proceso de estampado.
Diseño del ensamble de la matriz
Una vez diseñada las piezas de manera individual se procede a realizar un
ensamble, utilizando relaciones de posición coincidentes, concéntricas, entre otras,
las cuales son de tipo estándar, avanzadas y mecánicas
Obteniendo finalmente como resultado:
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Figura 3
Despiece de la Matriz de Corte de Arandela de Øinterior 40 mm
Nota. Autores, (2024)
Al analizar la matriz, las placas a troquelar tienen las siguientes dimensiones:
- Diámetro exterior: 66.5 mm
- Diámetro interior: 40 mm
- Espesor de la pieza: 1 mm
Inicialmente se determina:
La fuerza de corte del diámetro menor de la arandela.
Donde:
- e = Espesor: 1 mm
- τ = Límite de Tracción: 400 MPa Material de la Platina – Acero.
- p = Perímetro: 125.66 mm
- Fc1 = Fuerza de Corte 1
Por lo que la fuerza aplicar es:
(1)
(2)
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A continuación, se determina la fuerza de corte del diámetro mayor de la
arandela.
Donde:
- e = Espesor: 1 mm
- τ = Límite de Tracción: 400 MPa Material de la Platina – Acero.
- p = Perímetro: 208.82 mm
- Fc1 = Fuerza de Corte 2
Por lo que la fuerza aplicar es:
Una vez definida la Fuerza se procede a analizar por el Método de Elementos
Finitos. Por lo que los resultados y discusión originados son:
Los resultados obtenidos son aceptables, por lo que se puede identificar que
en la sección donde genera mayor tensión, según el código de colores es celeste, con
un valor promedio de 6.709e+007 (N/m2), el cual es despreciable.
Figura 4
Análisis de tensiones de la matriz de corte
Nota. Autores, (2024)
Los resultados obtenidos son aceptables, por lo que se puede identificar que
el mayor desplazamiento originado es de 0.02246 mm.
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Figura 5
Análisis de desplazamiento de la matriz de corte
Nota. Autores, (2024)
Los resultados obtenidos al igual que las tensiones son aceptables, por lo que
se puede identificar que en la sección donde genera mayor deformación, según el
código de colores es celeste, con un valor promedio de 0.0002938.
Figura 6
Análisis de deformaciones de la matriz de corte
Nota. Autores, (2024)
El factor de seguridad mínimo es de 3.7, el cual según Robert Mott (2006) es
útil para diseño de estructuras estáticas o elementos de máquina bajo cargas
dinámicas con incertidumbre acerca de las cargas, el cual recomienda que sea 2.5 a
4, por lo que se da por aceptado el diseño de la matriz de corte.
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Figura 7
Análisis del Factor de Seguridad de la matriz de corte
Nota. Autores, 2024
El uso de SolidWorks 2018 en el diseño de moldes de corte para arandelas
automotrices demostró ser una herramienta poderosa para mejorar la precisión y
eficiencia del proceso de fabricación. La capacidad de simular el comportamiento del
molde bajo condiciones reales de uso permite realizar ajustes precisos antes de la
producción, reduciendo costos y tiempo de desarrollo.
Conclusiones
La definición precisa de las dimensiones, tolerancias y materiales específicos
para las arandelas automotrices es esencial para garantizar la calidad y funcionalidad
de los componentes finales. Esta fase inicial permite establecer los parámetros
críticos que guiarán el diseño y la fabricación del molde de corte, asegurando que las
arandelas cumplan con los requisitos de rendimiento y durabilidad establecidos por la
industria automotriz.
El uso de SolidWorks 2018 para modelar el molde de corte ha demostrado ser
una herramienta eficaz para visualizar y diseñar cada componente del molde con alta
precisión. Este software permite crear modelos detallados que consideran todos los
mecanismos necesarios para el proceso de estampado, facilitando la identificación y
solución de posibles problemas en la fase de diseño. La capacidad de SolidWorks
para manejar ensamblajes complejos asegura que todas las partes del molde encajen
y funcionen correctamente desde el inicio.
El análisis del diseño del molde mediante las herramientas de simulación de
SolidWorks proporciona una comprensión profunda del comportamiento del molde
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bajo condiciones de operación reales. Evaluando el flujo de material, las tensiones en
el molde y el desgaste potencial, se pueden realizar ajustes precisos para optimizar
el diseño. Esto no solo mejora la eficiencia del proceso de estampado, sino que
también prolonga la vida útil del molde, reduciendo costos y tiempos de
mantenimiento.
La validación del diseño mediante la comparación con moldes de corte
existentes y pruebas de prototipos confirma la precisión y eficiencia del diseño
propuesto. Este proceso es crucial para verificar que el molde diseñado en
SolidWorks cumpla con los estándares de calidad requeridos y funcione
correctamente en un entorno de producción real. La validación también permite
identificar y corregir cualquier discrepancia antes de la fabricación en masa,
asegurando que las arandelas producidas sean consistentes y de alta calidad.
Analizando el factor de seguridad obtenido para asegurar tanto la durabilidad
como la fiabilidad del molde y tomando en cuenta las recomendaciones de Robert
Mott, se ha utilizado un factor de seguridad dentro del rango de 2.5 a 4, lo que
garantiza que el molde puede soportar las cargas operativas sin fallar
prematuramente.
Referencias
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progresivo para elaborar una arandela por golpe, Norma DIN 125.
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