Formación de bandas de corte dependientes de la velocidad en procesos de troquelado

Por qué cortar el metal más rápido puede mejorar el resultado

Cuando los fabricantes de automóviles u otras industrias perforan piezas en láminas de acero duro, los bordes de corte suelen quedar rugosos y requieren un acabado adicional. Este estudio explora una idea intrigante: si se corta el metal a velocidades extremadamente altas, el material en el borde puede ablandarse y reordenarse brevemente en una zona estrecha, creando una superficie sorprendentemente lisa, resistente y con buena resistencia al desgaste. Comprender cómo depende este efecto de la velocidad de corte podría ayudar a diseñar piezas que salgan de la prensa ya «acabadas», ahorrando tiempo, energía y costes.

Cómo se troquelan las piezas de chapa

En muchas fábricas, las láminas de acero plano se conforman prensando un punzón a través de la chapa hacia una matriz, un proceso llamado troquelado. A bajas velocidades esto es una compresión relativamente lenta; a velocidades muy altas se parece más a un impacto controlado. El equipo se centró en un acero de alta resistencia empleado en piezas de seguridad del automóvil, primero calentado y conformado, y luego templado, por lo que es resistente pero difícil de cortar con limpieza. Variaron la velocidad del punzón, desde un suave 0,12 metros por segundo hasta un impactante 17 metros por segundo, empleando tres tipos de máquinas: una prensa mecánica tradicional, un sistema hidráulico de alta velocidad y un accionamiento electromagnético capaz de acelerar el punzón extremadamente rápido. En cada caso se mantuvo la geometría de la herramienta y la holgura entre punzón y matriz, de modo que solo cambiaba la velocidad de corte.

Una banda brillante y oculta en el borde de corte

Cuando el acero se corta a velocidades muy altas, el material cercano al corte puede calentarse más rápido de lo que el calor puede disiparse. El resultado es una zona estrecha donde la deformación y la temperatura combinadas reordenan los pequeños cristales dentro del acero. Esta zona, llamada banda de corte adiabática, aparece en imágenes microscópicas como una franja brillante a lo largo del borde de corte. En este estudio, los investigadores pulieron cuidadosamente secciones transversales de los discos troquelados y examinaron los bordes. Incluso a la velocidad más baja ya encontraron una banda estrecha en el centro del borde, rodeada por una región más amplia que había sido fuertemente deformada. A velocidades mayores, la banda se alargó y desplazó, y la zona deformada circundante se redujo.

De fracturas rugosas a cortes suaves en S

La forma visible y la rugosidad del borde de corte cambiaron de manera drástica con la velocidad. A bajas velocidades, el borde mostraba una amplia zona de material dañado y una superficie de fractura dentada, lo que llevaba a una rugosidad relativamente alta. A medida que el punzón se movía más rápido, el perfil del borde adoptó una característica forma en S y la superficie se volvió más lisa. Alrededor de 8 metros por segundo, la banda brillante se extendía más de la mitad del espesor de la chapa y la fractura parecía seguirla de cerca. La rugosidad medida descendió muy por debajo de la del troquelado convencional. A la velocidad máxima de 17 metros por segundo, la banda se extendió a lo largo de todo el espesor de la chapa, el borde apareció muy liso y la amplia zona de deformación casi desapareció.

Qué ocurre dentro del acero

Para ver lo que sucedía a escala microscópica, el equipo empleó técnicas avanzadas de imagen basadas en electrones para mapear la estructura cristalina y el tamaño de grano cerca del borde de corte, y midieron la dureza en muchos puntos diminutos. A la velocidad más baja encontraron una amplia región de cristales fuertemente distorsionados alrededor de la banda y un claro efecto de endurecimiento: la propia banda se volvió muy dura al refinarse los granos, y la rotura ocurrió justo al lado, en la zona más dañada. A la velocidad más alta, la deformación se concentró en una banda mucho más delgada de granos muy finos, con casi ninguna zona deformada alrededor. Aquí, la banda era solo ligeramente más dura que el acero base, lo que sugiere que el calentamiento local y el ablandamiento, más que el endurecimiento, dominaron el comportamiento y guiaron el lugar donde finalmente se produjo la rotura.

Por qué esto importa para la fabricación futura

Al comparar velocidades de corte en un rango inusualmente amplio, este trabajo muestra que la velocidad de troquelado puede usarse como una palanca potente para controlar dónde y cómo se forman las bandas de corte adiabáticas, cuánto se extienden y qué tan lisos resultan los bordes. A velocidades muy altas, la banda ocupa todo el espesor de la chapa, el corte sigue a esta estrecha zona transformada y la rugosidad desciende a niveles que pueden hacer innecesario el acabado adicional del borde. Para la industria, esto significa que, con prensas de alta velocidad diseñadas adecuadamente, podría ser posible troquelar piezas complejas en aceros muy resistentes y obtener bordes funcionales y de alta calidad en un solo paso.

Cita: Winter, L., Winter, S., Martinitz, K. et al. Velocity-dependent shear band formation in blanking processes. Sci Rep 16, 14388 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-51972-3

Palabras clave: troquelado a alta velocidad, bandas de corte adiabáticas, corte de chapa metálica, calidad superficial, acero para automoción