Las máquinas de estampación en frío son capaces de fabricar piezas metálicas precisas para las industrias automotriz, aeroespacial, ferroviaria y de vehículos pesados, entre otras. En este post, exploraremos las diversas ventajas de esta tecnología en comparación con la fabricación mediante mecanizado tradicional y las consideraciones de diseño que se deben tener en cuenta para transferir nuestros diseños del mecanizado a la estampación en frío de manera eficiente. El diablo está en los detalles.

¿Cuáles son las ventajas de la forja en frío?

La estampación en frío es un proceso de alta velocidad que cumple de manera constante con los valores de resistencia requeridos y con la precisión geométrica de los componentes, lo que lo convierte en un proceso muy adecuado para producciones de gran volumen.

Estas máquinas se alimentan con bobinas de varilla de acero a temperatura ambiente de un diámetro determinado (a veces incluso con otras geometrías no circulares), que luego se cortan, transportan y conforman progresivamente en varios pasos aplicando presión mediante utillajes de forma precisa.

Muchas veces relacionamos la estampación en frío con tornillos de geometrías estandar, sin embargo, se pueden obtener piezas de alta complejidad que requerirían de centros de mecanizado para completarlas.

Las piezas estampadas se pueden completar con tratamientos térmicos, sencillos mecanizados posteriores, laminados de roscas o ranuras y recubrimientos.

Las siguientes ventajas pueden hacer que consideres transferir tu producción o suministro de componentes del mecanizado a la estampación en frío:

Cost-effective

Tanto la estampación en frío como el mecanizado de piezas son procesos factibles para diferentes aplicaciones y necesidades. Cuando el volumen de producción ronda las 100.000 piezas anuales, podemos empezar a considerar si la geometría que tenemos en nuestra pieza puede ser estampable, ya que la inversión inicial en el desarrollo del utillaje, se verá fácilmente compensada con el ahorro en material y coste de la pieza cuando se fabrique en serie. La repetibilidad y la velocidad de estampación permiten mejorar los costes necesarios para su producción.

Plazos de entrega reducidos

Las máquinas de estampación en frío trabajan a una velocidad de 100-150 piezas por minuto (¡eso es aproximadamente 2 piezas por segundo!), mientras que los tornos de mecanizado requieren tiempos más largos para terminar el componente, con una mayor dependencia de la geometría de la pieza (1-2 piezas por minuto pueden ser habituales). Algunas geometrías pueden ser difíciles de obtener mediante estampación en frío y puede ser necesaria una operación secundaria de mecanizado, sin embargo, aún así puede requerir menos coste que mecanizar el componente completo debido a la velocidad y la cantidad de material utilizado, lo que nos lleva a la siguiente ventaja: ahorro de material.

Menos chatarra

 La estampación en frío es un proceso sostenible, ya que el material se deforma en lugar de ser cortado. Esto significa que cuando se corta una porción de la bobina, toda la pieza en bruto se utiliza como parte del componente final. Cuando la pieza en bruto se presiona progresivamente en los troqueles, la forma inicial puede aumentar o reducir su diámetro, ajustar la longitud de diferentes secciones de la pieza e incluir otras geometrías como cabezas hexagonales o alojamientos. Piensa en ello como presionar una porción de plastilina dentro de un molde; su forma cambiará, pero la cantidad de material se mantiene constante. Sin lugar a dudas, los materiales metálicos que estampamos no son tan blandos como la plastilina, lo cual implica que existen varias limitaciones en cuanto a la deformación del material y que el progreso de la geometría debe respetar ciertas normas.

Cuando se necesita una pieza hueca, se debe cortar una pequeña porción de la pieza (llamada «slug»), lo que genera algo de desperdicio de material.

Sin embargo, al mecanizar una pieza, el material inicial requerido debe ser al menos del tamaño del diámetro y la longitud más grandes del componente final, para poder cortar la forma deseada de él. Puedes imaginar esto como una escultura de mármol de la que se quita mucho material antes de revelar el producto final.

Propiedades mecánicas y precisión geométrica

Con una elección acertada del material y gracias al efecto work-hardening, se pueden llegar a eliminar operaciones secundarias como tratamientos térmicos.

Las precisiones que se pueden conseguir en una pieza estampada en frío son válidas para muchas aplicaciones sin necesidad de acabados posteriores. Todo vuelve a depender de la geometría del componente pero sabemos que las longitudes pueden llegar a cumplir tolerancias ±0,10mm y algunos diámetros ±0,02. Esto se consigue de forma consistente porque el acabado superficial es muy bueno. De hecho, hay ocasiones en las que se han eliminado operaciones secundarias de rectificado de diámetros gracias a la precisión de la estampación en frío.

Entonces, ¿son mis componentes aptos para la forja en frío?

Ahora que conocemos más detalles sobre las ventajas y aplicaciones de la estampación en frío, ha llegado el momento de considerar si es factible estampar las piezas que actualmente fabricamos en mecanizado. De esta forma tendremos piezas con coste reducido debido a su alta velocidad de producción y menor chatarra. Esto nos permitirá ofrecer soluciones más competitivas en un mercado donde cada vez cuesta más destacar como es la automoción.

Como hemos comentado anteriormente, la deformación del material es la clave que nos permitirá diseñar un proceso adecuado para la geometría y características del componente final. Por lo tanto es posible que el diseño del componente mecanizado deba ser ligeramente adaptado de forma que siga cumpliendo sus funciones y requerimientos mientras optimizamos el proceso para la estampación en frío.

El diablo está en los detalles: esto supone que tener en cuenta estos detalles de antemano, nos va a permitir transferir las piezas de mecanizado a estampación en frío sin problemas y conseguiremos una fabricación en serie estable en un tiempo reducido.

Es importante considerar que este cambio de tecnología nos trae varias ventajas, por lo que merece la pena revisar las funcionalidades de la pieza actual, su papel en el ensamblaje donde va montado y los verdaderos requerimientos geométricos que requiere en cada zona

Como te puedes imaginar, las presiones en el proceso de estampación son muy altas ya que la deformación del material se hace a temperatura ambiente y hay cambios de geometría que podemos considerar extremos. Si bien es cierto que la propia deformación hace que el material se caliente en algunos casos hasta casi 200ºC por lo que se debe tener precaución a la hora de agarrar las piezas que acaban de salir de la máquina. 

Las herramientas utilizadas en la estampación en frío tienen características muy exigentes para poder soportar estas presiones cíclicas por lo que todo lo que podamos hacer para mejorar la vida de estas herramientas es beneficioso para la estabilidad en la producción y en las dimensiones, reduciendo las paradas y reduciendo el coste de utillaje. 

Entremos en detalle

En Ecenarro llevamos años analizando planos de nuestros clientes. Muchas veces nos damos cuenta de que los diseños están pensados para piezas que actualmente se mecanizan y somos proactivos a la hora de indicar los detalles que se deben modificar para que sea posible fabricarlas por estampación en frío. Sin ninguna duda, la funcionalidad de la pieza debe seguir siendo igual de exigente, pero podemos detectar las zonas no tan críticas donde los cambios son factibles y las simulamos antes de comprar ninguna herramienta para comprobar su potencial. Esto puede marcar la diferencia entre poder o no poder estampar las piezas, con el beneficio que esto supone!

Si tenemos en cuenta los siguientes tips, podremos verificar si nuestra pieza mecanizada es estampable directamente o detectar qué podemos adaptar para hacerlo factible. Are you ready to dive into the details that will successfully translate your designs from machining to cold forging? Here we go!

Aristas exteriores vs. faltas de llenado

Uno de los principales fallos suele ser pensar que la pieza estampada va a tener todas las aristas tan afiladas como en nuestra pieza mecanizada. Al mecanizar una pieza, tener una arista o un chaflán exterior es fácil de conseguir. En la estampación en frío, hay ocasiones en las que llenar una arista exterior es complicado. Recordemos que en la estampación en frío el material llena los moldes por presión, por lo tanto le cuesta más llegar a llenar las aristas exteriores. Esto hace que tengamos radios o faltas de llenado irregulares en algunas de estas aristas. Se debe analizar la geometría de cada pieza ya que los valores que obtengamos con un proceso estable pueden estar en un rango entre 0,3mm-1,5mm.

Usando nuestros programas de simulación podemos calcular estos valores con precisión antes de fabricar ninguna herramienta.

*TIP de diseño: Siempre que la arista no sea crítica para la función del componente, añadir una falta de llenado hará posible que la pieza se haga en estampación en frío sin problemas. Estas faltas de llenado, al ser irregulares, se suelen definir con la norma ISO 13715 que nos define unos máximos y mínimos en para diferentes ejes.

Esquinas interiores vs. radios

Cuando estampamos piezas, las esquinas interiores se obtienen de copiar la geometría de los utillajes, los cuales habitualmente tienen radios en las transiciones que las hacen más robustas y aptas para soportar altas presiones sin deteriorarse durante la fabricación de cientos de miles de piezas. En piezas mecanizadas esas geometrías quedan definidas por una combinación entre la trayectoria y la geometría de la herramienta de corte. Si la esquina interior lo requiere, deformaremos esa zona de forma progresiva comenzando con radios mayores hasta obtener el valor final. Pero debemos tener en cuenta que las aristas muy afiladas fragilizan las herramientas de estampación en frío y no facilitan el flujo del material por lo que siempre que sea posible trataremos de evitarlas. Dependiendo de la geometría de la pieza los radios mínimos óptimos pueden variar de 0,4mm-1mm, pero cada caso puede tener diferentes necesidades.

Axial vs. radial undercut

Para garantizar un ensamblaje exitoso de la pieza, muchos diseños incluyen un corte o ranura de alivio. En las piezas mecanizadas, esta ranura es radial, lo que significa que disminuimos el radio en esa área para obtener la geometría, ya que es más fácil de lograr. Sin embargo, cuando transferimos esta geometría al conformado en frío, un corte radial se convierte en una complejidad.

Las máquinas de estampación en frío están compuestas por dos bloques, uno fijo y uno móvil, de forma que las piezas que se van transportando van deformandose en la misma dirección de su eje principal, esto es, de forma axial. Un undercut radial no permitiría poder extraer la pieza del molde, por lo que estos casos se solucionan de forma sencilla cambiando el sentido del undercut a axial. La función se mantiene y hacemos posible trasladar nuestro diseño a la estampación en frío.

*TIP de diseño: Cuando veas un undercut radial recuerda que complicaría de forma innecesaria la pieza estampada y que con un undercut axial tu pieza está cada vez más cerca de poder ser estampada en frío.

Estate atento!

Hay varios tips más que te pueden ayudar a alcanzar una transición exitosa from machining to coldforming que te iremos compartiendo. De esta forma ya nunca volverás a ver las piezas de la misma forma y podrás ser capaz de detectar qué puntos son críticos en tu diseño para poder estampar en frío tus piezas. Recuerda que esto te puede traer grandes ventajas y hará que tu producto sea más competitivo.