EL PROCESO DE ACUÑADO DE MONEDAS. LA INFLUENCIA DEL MATERIAL DEL COSPEL SOBRE LA CARGA DE CONFORMADO

Transcripción

1 EL PROCESO DE ACUÑADO DE MONEDAS. LA INFLUENCIA DEL MATERIAL DEL COSPEL SOBRE LA CARGA DE CONFORMADO G. Abate 1,2, B. Parodi 3, D. Pérez 1,2 y D. Martinez Krahmer 1,2 1 Unidad Técnica Máquinas y Herramientas, INTI-Mecánica Avda. General Paz 5445, Miguelete, Buenos Aires, Argentina Correo-e: mkrahmer@inti.gob.ar 2 Cátedra Tecnología Mecánica, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Lomas de Zamora 3 Unidad Técnica Biomateriales, INTI-Mecánica RESUMEN Una regla elemental que debe verificarse en relación al dinero metálico (monedas), es que el valor nominal del mismo (extrínseco) sea mayor al del metal (intrínseco) que lo constituye. De no ser así, saldrá de circulación, o su material deberá ser sustituido. Para fabricar una moneda de circulación ilimitada se requiere que el metal sea económico, fácil de conformar, con buena resistencia al desgaste y a la corrosión. En Argentina, las monedas de uso corriente presentan diámetros comprendidos en el rango de 23mm a 25mm. Por esta razón, y de acuerdo con el fabricante alemán de máquinas acuñadoras Graebener, sería necesario disponer de una máquina de 100t para su conformado. Sin embargo, se desconoce cuál sería el efecto sobre la carga de acuñado, cuando se trabajan distintos materiales, a partir de cospeles de igual diámetro. Por tal razón, en este trabajo, tomaremos como base para realizar los estudios de simulación computacional, la moneda de 0,50$. Una revisión de la bibliografía nos muestra que, los materiales empleados para el acuñado son aleaciones tales como: aceros con contenidos de carbono menores al 0,2%; aceros inoxidables al Cr-Ni; bronces y cuproníqueles. Por tal motivo, hemos realizado distintas estimaciones de carga, tanto por métodos empíricos como por simulación con elementos finitos. Para ello se emplearon cinco materiales diferentes, dos aceros de bajo contenido de carbono y tres aleaciones de cobre (Cobre - Estaño, Cobre Zinc y Cobre Zinc Plomo), todos ellos pertenecientes a la biblioteca de materiales del software Simufact.Forming. La finalidad buscada fue la de establecer la viabilidad del conformado, utilizando como referencia la carga máxima disponible para el rango de diámetros indicado, por los principales fabricantes mundiales de prensas de acuñado. Palabras Claves: Acuñado, moneda, conformabilidad, simulación numérica

2 INTRODUCCIÓN Las primeras monedas fueron acuñadas por el año 652 a.c. Las mismas eran de una aleación de oro y plata, y se acuñaban en caliente mediante un punzón que era golpeado por un martillo. A medida que la demanda de monedas se fue incrementando, el proceso empezó a incorporar maquinaria, con el fin de mejorar la productividad y la calidad de acuñado, con el fin de evitar falsificaciones. Es así que hoy en día existen en el mercado prensas acuñadoras que permiten realizar con altísima precisión hasta 850 monedas por minuto, tanto sobre metales, bimetálicas y hasta algunas compuestas por hasta tres aleaciones diferentes. Sin embargo la denominada Ley de Gresham indica que el valor nominal de la moneda en curso siempre debe ser superior al de su valor intrínseco, lo cual enfrenta a fabricantes al desafío de utilizar materiales más económicos, pero que permitan una buena calidad de grabado para evitar falsificaciones y que a su vez sean factibles de ser acuñados con la maquinaria disponible en el mercado. En la actualidad es normal el empleo de aleaciones frente a los metales puros, principalmente porque los primeros poseen una mayor dureza, y como consecuencia directa de ello, son más resistentes al desgaste. Sin embargo, la depreciación de la moneda podría llevar a emplear aleaciones de baja conformabilidad (acero), o de reducida resistencia al desgaste (aluminio), dados sus menores precios relativos. Dado que en la actualidad, existen fabricantes especializados de los cospeles, las Cecas o Casas de Moneda los adquieren y solamente los acuñan en máquinas especializadas. En Argentina, las monedas de 0,25$ ; 0,50$ ; 1$ y 2$ presentan diámetros comprendidos en el rango de 23mm a 25mm. Por esta razón, y de acuerdo con el fabricante alemán de máquinas acuñadoras Graebener, sería necesario disponer de una prensa de 100t, como es el caso de su modelo MPU 106, con el cual sería posible acuñar monedas de hasta 26mm de diámetro. Sin embargo, se desconoce cuál sería el efecto sobre la carga de acuñado, cuando se trabajan distintos materiales, a partir de cospeles de un mismo diámetro. Por tal razón, en este trabajo, tomaremos como base para realizar los estudios de simulación computacional, la moneda de 0,50$. Una revisión de la bibliografía muestra que, los materiales empleados para el acuñado son aleaciones como ser: acero con contenidos de carbono menores al 0,2% ; aceros inoxidables al Cr-Ni ; bronces (aleaciones Cu Sn con porcentajes de cobre comprendidos entre 80% a 95%) ; latones (aleaciones Cu Zn) y cuproníqueles.

3 Por otra parte la simulación por elementos finitos de procesos de conformado permite evaluar la factibilidad de producción de piezas desde su etapa de diseño, evitando sobre costos derivados del método de prueba y error, así como los asociados a realizar pruebas en la misma maquinaria de producción. Por tal motivo, utilizaremos esta herramienta con el fin de efectuar simulaciones empleando al menos cinco materiales comprendidos en los ya indicados, y tomados de la biblioteca del software Simufact.Forming. 1. MATERIALES Y METODOLOGÍA EXPERIMENTAL 1.1 Esquema de acuñado a representar: Para la representación por elementos finitos, el esquema de producción seleccionado corresponde al utilizado a nivel nacional para la fabricación de monedas de curso legal y definido en [4]. Punzón superior Virola Cospel Virola Punzón inferior Figura 1: Proceso de acuñado [4] 1.2 Geometría de los punzones y cospeles seleccionados Para la modelización de los punzones (troqueles según la figura 1), se relevó geométricamente, una de las caras de la moneda de 50 centavos, y se procedió a acuñar dicha imagen en ambas caras del cospel utilizado para la simulación.

4 Figura 2: Lado de la moneda utilizado para la modelización de los cuños El diámetro exterior del cospel es de 25,2 mm, con un espesor en la zona a ser deformada de 1,4 mm y un ribete circunferencial que tiene como objetivo restringir el desplazamiento radial del material a conformar. Figura 3: Imagen CAD de los cospeles utilizados durante la simulación Figura 4: Cuño Modelizado para la simulación 1.3 Esquema de acuñado a Modelizado: Con los datos de proceso se procedió a reproducir la secuencia de acuñado del cospel. En la figura siguiente se puede observar el Modelizado del conjunto previo a realizar la simulación del proceso de deformación.

5 Cuño superior Cospel Aro de contención Cuño inferior Figura 5: Modelo utilizado para la simulación 1.4 Maquinaria a utilizar en el modelo: Tomando como referencia a Muñiz García [4], en la actualidad existen dos fabricantes referentes mundiales de acuñadoras; las empresas alemanas Graebener y Schüler, ambas especializadas en la fabricación de monedas en serie de curso legal. Según el citado autor, estas prensas poseen una productividad de alrededor de 750 piezas por minuto, con capacidades de hasta 200 t. En nuestro caso particular hemos seleccionado la prensa Graebener MPU 106, preparada para acuñar monedas de hasta 26 mm de diámetro y con una capacidad máxima de 1000 kn, equivalentes a 100 t. Figura 6: Imagen de una prensa Graebener para acuñado [5]

6 Tabla 1. Características técnicas de la prensa seleccionada [5] MPU 106 MPU 156 MPU 206 MPU 306 Capacidad máx. (kn) Diámetro máximo (mm) Golpes por minuto (min -1 ) Fuerza del extractor (kn) Capacidad del motor (kw) Materiales a evaluar: Como características principales para poder ser deformados en frío, los materiales sometidos a un proceso de acuñado deben poseer: buena capacidad de deformación plástica, (a fin de no sufrir fisuras durante el proceso y para poder obtener una buena calidad de conformado), y una baja resistencia a la deformación. Esta última influye principalmente en la carga de conformado, lo que deriva inevitablemente en la capacidad necesaria de la acuñadora utilizada, e indirectamente en la duración de los cuños empleados. En este sentido, a mayor resistencia a la deformación del material, mayor será la presión necesaria para lograr la deformación buscada, y en consecuencia, las tensiones sufridas por el herramental aumentarán, disminuyendo su vida útil. Es por esto que las aleaciones de Cobre son usadas ampliamente como material para la fabricación de cospeles destinados para el acuñado de monedas. Sin embargo, y recordando la Ley de Gresham, con el fin de reducir costos, es cada vez más habitual el empleo de acero como material alternativo. Tabla 2. Materiales utilizados en la simulación Aceros SAE 1006 SAE 1020 Aleaciones base Cu CuZn15 CuZn30 CuZn39Pb2

7 2. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 2.1 Cargas de acuñado provenientes de bibliografía: Tal como lo expresa H. Tschaetsch 8, la carga de acuñado no sólo depende del diámetro de la moneda, y del material a acuñar, sino que también influye significativamente sobre ella la profundidad del acuñado. Tanto es así que, dentro de los valores de resistencia al acuñado, define específicamente uno para ser empleado en el acuñado profundo. Con estos valores se han determinado las cargas empíricas de acuñado para tres tipos de materiales diferentes. Los mismos se presentan en la tabla siguiente: Tabla 3. Valores empíricos para la carga de acuñado de monedas de 25mm de diámetro Material Resistencia al acuñado (kg/mm 2 ) 8 Fuerza de acuñado (t) Latón Cobre Acero Resultados del relevamiento de la profundidad de grabado: Previo a la simulación computacional y con el fin estimar la profundidad del grabado, se relevó la superficie correspondiente al número de la moneda. De acuerdo con las mediciones realizadas, el acuñado presenta una profundidad máxima aproximada de 80µm. En las figuras siguientes se muestran sucesivamente, una imagen de la cara con el grabado de 50 centavos, con la indicación de los puntos relevados, y un gráfico con las diferencias de altura observadas sólo para el grabado correspondiente al número 50. Figura 7: Puntos relevados de la cara de la moneda de 0,50$

8 Número Perfil (µm) L (µm) Figura 8: Profundidades determinadas de acuerdo al relevamiento de la figura anterior 2.3 Simulación numérica del proceso de acuñado: Se analizaron cinco materiales para el cospel, seleccionados de la librería del software Simufact.Forming: 1) Tres aleaciones base cobre. 2) Dos aceros de bajo carbono Cospeles de acero: A continuación se muestra el proceso de deformación para los cospeles de acero obtenidos mediante simulación por elementos finitos del proceso de acuñado: Figura 9: Resultados geométricos del conformado del cospel de acero

9 Existe una herramienta dentro del software de simulación que permite visualizar que zonas del material tomaron contacto con la superficie de la matriz. A partir de ella, se pudo establecer que, para alcanzar la profundidad de grabado, el recorrido del punzón superior debe ser de 0,1 mm a partir del primer contacto. Figura 10: Contacto cuño-cospel al inicio y a 0,1 mm de carrera de deformación Tomando como profundidad del grabado el valor antes determinado, se obtuvo que las cargas necesarias resultaron: 1) para el acero SAE 1006 de 87 t, y 2) en el SAE 1020 de 109t. Los diagramas de carga superpuestos se aprecian en la figura siguiente: 109 t 87 t Rango teórico de carga para cospeles de acero 74 t 59 t Acero 1020 Acero 1006 Figura 11: Cargas de acuñado para los cospeles de acero SAE 1006 y SAE Cospeles de aleación base cobre: A continuación se muestra el proceso de deformación para los cospeles de aleación base cobre, obtenido mediante simulación por elementos finitos del proceso de acuñado:

10 Figura 12: Resultados geométricos del conformado del cospel de aleación base cobre Al igual que para el caso de los cospeles de acero, para lograr la profundidad de grabado fue necesario que el recorrido del punzón superior, a partir del contacto con el material, recorra 0,1 mm. Tomando como profundidad del grabado el valor antes determinado, se obtuvo que las cargas necesarias resultaron; para la aleación CuZn15 de unas 65 t, CuZn30 de 70t y CuZn39Pb2 de 75t, tal como se aprecia en la figura siguiente: Rango teórico de carga para cospeles de latón 65 t 70 t 75 t 88 t 74 t Rango teórico de carga para cospeles de cobre CuZn39Pb2 CuZn30 CuZn15 49 t 39 t Figura 13: Cargas de acuñado para los cospeles base Cobre 2.4 Comparación entre valores teóricos de carga y simulados: Se puede inferir al observar la figura 11 que, la carga obtenida mediante simulación aumenta conforme se incrementa el porcentaje de carbono del acero, como también la profundidad del

11 acuñado. Por otra parte, los valores teóricos muestran un rango de cargas sensiblemente inferior. Las zonas de coincidencia para los valores de carga simulados en relación a los teóricos se presentan entre los 0,07 mm y 0,085 mm de recorrido del cuño. En cuanto a la figura 13, la carga obtenida mediante simulación computacional aumenta al incrementar el porcentaje de Zinc en la aleación, como así también, con la profundidad de acuñado. Por otra parte, los valores teóricos muestran un rango de cargas para cobre sin alear sensiblemente inferior, mientras que para Latón (CuZn) los valores de carga son mayores. 3. CONCLUSIONES Los valores de obtenidos por simulación muestran que, para la acuñadora seleccionada (de capacidad nominal máxima 100t), los cospeles realizados en acero SAE 1020 están por fuera de su capacidad nominal. Las cargas de acuñado son especialmente sensibles, en un cospel de acero, al porcentaje de carbono, mientras que en uno base cobre, al porcentaje de Zinc de la aleación. En cuanto a la elección de materiales para cospeles por su costo y factibilidad de conformado, si bien con excepción del acero 1020, todas las aleaciones estuvieron por debajo de la carga nominal de la acuñadora seleccionada, en la toma de decisión sobre el material de cospel a utilizar, es imprescindible analizar previamente, la influencia del aumento de carga en la durabilidad del cuño. Los valores de carga obtenidos mediante el uso de bibliografía, deben considerarse sólo a modo orientativo, por cuanto no tienen en cuenta en forma precisa ni la profundidad de acuñado, como tampoco las variaciones de los elementos en la aleación que describen. 4. REFERENCIAS 1 B. Muñiz García, Fabricación de la moneda a través de los tiempos, Versión revisada Enero J. Rodrigues et al, A new type of bimetallic coin, J. Rodrigues et al, Theoretical and experimental development of an industrial process for minting bimetallic foiled coins, EPMESC VII - International Conference on Enhancement, Practice and Promotion of Computational Methods in Engineering, Macau, China; B. Muñiz García, Metales empleados en las monedas, Versión revisada Junio H. Tschaetsch, Metal forming practice, Springer Verlag, Berlin, Alemania, 2006.