Shearing using an ironworker is simple, with the right setup

By Don Letourneau

To gain the most benefit from an ironworker's cutting stations, fabricators should select one with the right tonnage and blade characteristics for their applications.

Much has changed in the fabrication shop over the years, but not the need for ironworkers. With little fuss or fanfare, these industry workhorses have punched, notched, sheared, and croped metal for decades.

Although mechanical versions still exist, hydraulic ironworkers make up the brunt of sales for these multipurpose machines, which come in single- and dual-cylinder versions. Single-cylinder machines typically have three or four workstations, dual-cylinder models usually have five: one for punching, another for shearing flat bar and plate, one for notching and coping, another for cutting angle iron, and still another for cutting channel and beams. On dual-cylinder machines, the punch and shear stations operate independently, so two operators can use the machine at the same time.

Specialty tools allow ironworkers to perform more than they used to. It's not uncommon, for instance, to see an ironworker with a brake punch for bending flat sheet. But most of the work and the majority of workstations still are devoted to cutting metal. To gain the most benefit from an ironworker's cutting stations, fabricators should select one with the right tonnage and blade characteristics for their applications.

Figure 1
This high-rake-angle plate shear pivots down and slices through metal like scissors.

Raking in Productivity

Every ironworker has a plate shearing station in which the top blade descends to the workpiece at a certain rake angle. An ironworker with a high rake angle has a smaller space between the blade edges on one side, close to the blade pivot point, usually on the left side if facing the machine (see Figure 1). The space becomes wider when moving toward the end of the shear blade on the right. The blade pivots down and slices into the metal like scissors (why high-rake-angle shears often are called scissor shears). A plate shear with a low rake angle descends toward the workpiece in guillotine fashion (see Figure 2).

Ironworkers have plate cutting stations that come with either fixed or variable rake angles. With a fixed-rake-angle machine, the operator never needs to change the rake of the blade. Distortion problems can emerge, though, particularly if the operator is cutting both light- and heavy-gauge material. If the rake angle is set for heavy material, the operator will see a fair amount of distortion in the falloff piece if he switches to lighter material. Variable-rake-angle systems allow operators to change the rake angle from low (for thick material) to high (for thin material).

Figure 2
A low-rake-angle plate shear descends toward the workpiece in guillotine fashion, cutting more metal at one time. The center of the blade bows downward to reduce distortion during the cut.

The blade's rake angle affects how much material the blade actually cuts at once. A low-rake-angle blade usually is closer to horizontal. The closer to horizontal it is, the more it descends like a guillotine shear, and the more material it contacts and cuts at once. The low rake angle does have a significant downside: It takes more tonnage to make the cut. However, that cut can be made quickly and accurately, giving the falloff piece a square, flat edge. A high rake angle on a blade exerts a scissor action that places a lot of force in a very small area, "biting" away at the metal from left to right. Because the cutting power is concentrated on a single area, the high-rake shear cuts more using less tonnage. From a pure power standpoint, it's a more efficient way to cut metal, which is why it's often preferred, particularly if precision cuts aren't absolutely necessary. To understand why this happens, think about cutting through a thin bar of clay. A sharp knife, positioned parallel to the clay bar, slices through and makes a clean break—but it takes a lot of force to make it happen. Scissors, on the other hand, do not take so much force to initiate the cut, but the scissor blades tend to "pinch" the clay as they make their way through.

The same happens with the ironworker's shear. A low-rake-angle, guillotine shear makes a clean break but requires high tonnage; a scissor shear can cut more with less tonnage but, in doing so, distorts the falloff piece. So much force is concentrated in a small area during the cut that, upon contact of the shear, portions of surrounding metal (like the pinched clay) are actually pulled into the cut. The part of the workpiece held in place on the gauge table usually has less distortion. But the falloff piece—the one that usually ends up being used—has nothing to stop the shearing action from pulling metal into the cut, creating a small roll indentation at the top shear edge.

Many ironworker applications involve cutting base plates or gusset plates, foundational components that need to be virtually free of distortion. Because of this, ironworker applications, more often than not, call for precision cuts. As with many machines, there's a trade-off to consider. A higher-tonnage ironworker costs more and takes more energy to run, but it gives enough power to push a low-rake-angle shear through thick metal. A lower-tonnage ironworker costs less and can cut through less, although it can expand its cutting capability slightly with a higher rake angle. Distortion in the cut, however, can create quality problems. Advances in machine design have made it possible for low-rake-angle shears to cut through thick metal with less tonnage. For instance, certain systems offer an upper shear blade in which the center of the blade bows downward, toward the workpiece (see Figure 2). This causes the blade to contact the workpiece in the center first. Not only does this improve efficiency, it also reduces distortion, meaning there's a better chance the falloff piece will remain perfectly flat.

Blade Gap: Finding a Happy Medium

The blade gap is defined as the space between the blades at the end of the shear stroke. (Think of the space between scissor blades when the scissors are closed.) Some space between the blades is necessary to allow room for the small pieces of fractured metal during the cut. If the gap is too narrow, that fractured metal has no place to go, placing tremendous pressure on the blade itself; in fact, the shears most likely won't be able to cut the material at all. For instance, if an ironworker with a 0,25mm (0.010-in). blade gap were to cut 18mm (¾-in.) material, the hydraulics would most likely shut down, because the machine just couldn't handle it. A blade gap that is too wide will produce a tremendous burr on the part, as metal is pulled into the blade gap when the shears approach the end of their stroke. This brings up a key difference between an ironworker and standard guillotine shear. A 250 mm (10-foot) guillotine shear might be rated for 6mm (¼-in.) material, using a very narrow blade gap of about 0.008 in., and 6mm (¼ in.) is just about all the guillotine shear will cut. With an ironworker, a machine might be rated to cut material 610mm (24 in.) long by 16mm (5/8 in.) thick, but if the material is shortened, the ironworker's plate shear can cut through greater thicknesses. To keep this flexibility requires, among other things, a blade gap able to handle varying demands. The blade gap should be set at a happy medium for the range of cutting thicknesses your applications will require. A 120-ton ironworker, rated to cut mild steel from 3/16 to 1 in. thick, normally has a factory-set blade gap of about 0.022 in.; an 88-ton machine rated to cut up to 18mm (¾ in.) thick might have a 0,5mm (0.018-in). blade gap. These settings by no means fit every application; the appropriate gap depends on the material and thicknesses the ironworker will be cutting. A lighter-tonnage machine might have a blade gap set at 0,5mm (0.018 in.) But if the shear will be cutting material between 3mm (1/8 in.) and 12mm (½ in.), the blade gap may need to be reset to about 0,3mm (0.012 in.) This happy-medium setting will allow the machine to cut between 3mm (1/8-in.) and 16mm (5/8-in).-thick material. However, if the ironworker then needs to cut 16mm (5/8 in.) and up, the blade gap will need to be opened up slightly to handle the increased thicknesses.

Cutting Angles and Shapes

Figure 3

This angle blade is positioned such that it cuts both legs of the angle iron simultaneously. The market offers varying blade styles to cut through angle iron and similar angled parts. Some systems cut through each leg one after the other, while others offer a blade that can cut both legs simultaneously (see Figure 3). This allows fabricators—particularly structural shops that often process uneven angle iron such as 127x75mm (5- by 3-in.) or 150x50mm (6- by 4-in.) material—to cut angles without distortion. The blade turns on a cam within the machine. During the shear cycle, the blade descends until the tip seats into the V of the angle; as it does this, both the horizontal and vertical legs are cut at the same time. Ironworkers also offer other stations that can cut specialty shapes, such as C channels, T bar, and H beams.

Still a Workhorse

Ironworkers have advanced significantly through the years. Today indexing tables and CNCs are automating one of the last bastions of manual operations on the floor. But be they automated or manual, ironworkers are still some of the most straightforward machines to operate. They are indispensable tools for structural and plate fabricators, truck body builders, ornamental fabricators, small welding shops, and any other business needing a quick way to shear, notch, and punch metal. If a shop has invested in the tonnage and tools it needs—including the correct shear setups—the multipurpose ironworker will likely remain the industry's workhorse for decades to come.

Don Letourneau
product manager,
Comeq

Don Letourneau is product manager at Comeq, P.O. Box 207, White Marsh, MD 21162, 410-933-8500, fax 410-933-1600, www.comeq.com.

donl@comeq.com

TAGS: angle iron, angle shear, base plates, blade gap, c channel, channel bar, guillotine shear, gusset plates, h beam, hydraulic ironworker, ironworker, plate cutting, rake angle, scissor shear, t bar

El corte de llantas con una cizalla-punzonadora universal es fácil, utilizándola correctamente.

Para obtener el máximo beneficio de las estaciones de corte de una cizalla-punzonadora universal hay que escoger el modelo con la potencia y características de las cuchillas adecuadas para sus trabajos.

Los talleres han cambiado mucho con los años pero no la necesidad de cizallas-punzonadoras universales. Haciendo poco ruido estas máquinas han punzonado, entallado, cortado llantas y barras durante décadas.

Aunque todavía se comercializan algunas máquinas mecánicas, las cizallas-punzonadoras hidráulicas acaparan las ventas de estas máquinas universales que pueden ser de uno o dos cilindros. Las máquinas de un cilindro habitualmente tienen tres o cuatro estaciones de trabajo, los modelos de dos cilindros normalmente tienen cinco: una para el punzonado, otra para cortar llantas y planchas, otra para entallar y recortar, otra para ángulos y una más para el corte de perfiles. En estas máquinas de dos cilindros las estaciones de punzonado y cizallado actúan de manera independiente por lo que dos operarios pueden trabajar al mismo tiempo.

Las herramientas especializadas permiten a estas cizallas-punzonadoras universales hacer más de lo que solían hacer en el pasado. Por ejemplo no es nada raro ver una de estas máquinas con una plegadora para doblar pletinas en la zona de punzonado. Pero la mayor parte del trabajo que hacen y la mayoría de las estaciones de trabajado están destinadas a cortar material. Para obtener el máximo beneficio de las estaciones de corte de una cizalla-punzonadora universal hay que escoger el modelo con la potencia y características de las cuchillas adecuadas para sus trabajos.

 
Esta cuchilla superior con ángulo pivota respecto a punto fijo y corta el material como las tijeras.

Mejorando la Productividad

Toda cizalla-punzonadora universal tiene una estación de corte de llantas cuya cuchilla superior desciende hacia la pieza a cortar con un cierto ángulo de ataque. Una cizalla-punzonadora universal con un ángulo de ataque alto tiene una apertura menor en un lado entre las dos cuchillas, en la zona cercana al punto de rotación, normalmente en el lado izquierdo de la estación si se está frente a la máquina (ver Figura 1). Esta apertura va aumentando a medida que nos vamos hacia la derecha de las cuchillas de corte de llantas. La cuchilla gira y pivota hacia abajo y corta el material como si fueran tijeras (es por ello que las cizallas de gran ángulo de ataque con frecuencia se denominan cizallas de tijera). Una estación de corte de llantas con un ángulo de ataque bajo desciende hacia la pieza como si fuera una guillotina (ver Figura 2).

Las cizallas-punzonadoras universales tienen una estación de corte de llanta que vienen tanto con ángulo de ataque fijo como variable. Con un ángulo de ataque fijo el operario nunca tiene que cambiar el ángulo de la cuchilla. Sin embargo pude haber problemas de deformación especialmente si el operario está cortando material tanto delgado como grueso. Si el ángulo de corte está preparado para material grueso, el operario tendrá una deformación alta en la pieza saliente si cambia a material delgado. El sistema de ángulo de ataque variable permite al operario cambiar de ángulo de ataque bajo (para material grueso) a alto (para material delgado).

Una cuchilla con ángulo de ataque bajo desciende sobre la pieza a cortar en modo guillotina, cortando más material de una vez. El centro de la cuchilla en forma de arco invertido reduce la deformación durante el corte.

El ángulo de ataque de la cuchilla afecta a la cantidad de material que se puede cortar cada vez. Una cuchilla con ángulo de ataque bajo normalmente es más horizontal. Cuanto más horizontal sea, más descenderá como una guillotina y más material toca y corta a la vez. El ángulo de ataque bajo tiene un inconveniente: requiere de un mayor tonelaje para realizar el corte. Sin embargo, el corte se hace de forma rápida y precisa, obteniendo un buen escuadrado y borde plano.

Un ángulo de ataque alto en la cuchilla realiza un corte de tijera que pone mucha fuerza en un área muy pequeña, cortando el material “a mordiscos” de izquierda a derecha. Debido a que la potencia de corte se concentra en un área muy pequeña, el cizallado de ángulo puede cortar material mayor utilizando un menor tonelaje. Desde un punto de vista puramente de potencia, es una forma más eficiente de cortar material por lo que frecuentemente se suele optar por este tipo de máquinas a no ser que se requiera una calidad de corte de precisión.

Para entender por qué pasa esto, piense en una barra delgada de arcilla. Una cuchilla afilada, colocada paralela a la barra de arcilla, penetra y hace un corte limpio pero requiere de mucha potencia. Por otro lado las tijeras no requieren de mucha potencia para empezar el corte pero las cuchillas de las tijeras tienden a “pellizcar” la arcilla según van avanzando.

Ocurre lo mismo en la zona de corte de llantas de una cizalla-punzonadora. Una guillotina con ángulo de ataque bajo hace un corte limpio pero requiere de una potencia alta; una cizalla-punzonadora universal con corte por tijera puede cortar más con menos tonelaje pero deforma la pieza cortada. Se concentra tanta potencia en un área tan pequeña durante el corte que al contacto con la cizalla, el corte se lleva cachos del metal circundante (como la arcilla pellizcada). La parte de la pieza que se ha colocado sobre la mesa (parte entrante) normalmente tiene menos deformación. Pero, la parte cortada saliente – la que normalmente termina siendo usada – no tiene nada que evite la acción de empuje durante el corte, lo cual crea una pequeña hendidura en el borde superior del corte.

Muchas aplicaciones de las cizallas-punzonadoras universales incluyen cortar placas base o placas de unión, componentes de fundación que necesitan en teoría estar libre de deformaciones. Es por esto que las aplicaciones de estas máquinas más de la mitad de las veces requieren de cortes de precisión.

Como con otras muchas máquinas, hay que buscar el equilibrio. Una cizalla-punzonadora universal de mayor tonelaje cuesta más y necesita de más energía para funcionar pero da la potencia suficiente para hacer funcionar una cizalla de ángulo de ataque bajo y cortar así material grueso. Una cizalla-punzonadora universal de menor tonelaje cuesta menos y en consecuencia puede cortar menos aunque siempre puede aumentar su capacidad de corte ligeramente utilizando un ángulo de ataque mayor. Sin embargo la deformación en el corte puede crear problemas de calidad.

Los avances en el diseño de las máquinas hicieron posible que las cizallas de ángulo de ataque bajo cortaran material grueso con menos potencia. Por ejemplo, ciertos sistemas ofrecen una cuchilla de cizalla superior en la cual en centro de la cuchilla se pandea hacia abajo, hacia la pieza de trabajo (ver Figura 2). Esto hace que la cuchilla haga contacto con la pieza a cortar primero en el centro. Esto no solo mejora la eficiencia sino que también reduce la deformación lo que significa que hay una mayor posibilidad de que la pieza cortada permanezca perfectamente plana. 

Juego entre Cuchillas: Buscando el Punto Medio

El juego entre cuchillas se define como el espacio existente entre ambas cuchillas al final de la carrera de la cizallas. (Piense en el juego – espacio - entre las cuchillas de las tijeras cuando las tijeras están cerradas). Es necesario tener un juego entre las cuchillas para permitir un alojamiento para los recortes de metal creadas durante el corte.

Si este juego es demasiado pequeño, estos recortes no tienen donde ir, creando una presión tremenda sobre la propia cuchillas, de hecho, probablemente la cizalla ni siquiera podrá cortar el material. Por ejemplo, una cizalla-punzonadora universal con un juego entre cuchillas de 0,25 mm (0.010”) que fuera a cortar un material de 18mm (¾”) es muy probable que la hidráulica se bloqueara porque la máquina simplemente no podría con ello. Un juego entre cuchillas demasiado grande producirá una gran rebaba en la pieza, ya que el material sería empujado hacia esta apertura entre cuchillas según la cuchilla va avanzando en su carrera.

Esto saca a relucir una diferencia clave entre una cizalla-punzonadora universal y una guillotina estándar. Una guillotina estándar de 250 mm (10)’ podría ajustarse para un material de 6mm (¼”) usando un juego entre cuchillas muy pequeño de alrededor 0,2mm (0.008”), y 6mm (¼”) es todo lo que cortará la guillotina. Con una cizalla-punzonadora universal, una máquina podría tener capacidad para cortar material de 610mm (24”) de largo por 16mm (5/8”) de espesor, pero si el material se acorta, la máquina podría cortar espesores mayores. El mantener esta flexibilidad requiere, entre otras cosas, un juego entre cuchillas que sea capaz de albergar diferentes requisitos.

El juego entre cuchillas debe establecerse en un punto medio para el rango de espesores de corte que requerirán sus trabajos. Una cizalla-punzonadora universal de 120Tn con capacidad para cortar acero normal desde 5mm (3/16”) hasta 25mm (1”) de espesor, normalmente tiene un juego entre cuchillas ajustado desde fábrica de alrededor 0,5mm (0.022”); en una máquina de 80 toneladas con capacidad de corta hasta 18mm (¾”) de espesor podría tener un juego de 0,5mm (0.018”).

Estos valores no quieren decir que se ajusten a todas las necesidades, el juego adecuado depende del material y espesores que la máquina va a cortar. Una máquina de menor tonelaje podría tener un juego entre cuchillas ajustado a 0,5mm (0.018”). Pero si la máquina estuviera cortando material de entre 3mm (1/8”) y 13mm (½”) es posible que el juego entre cuchillas tenga que reajustarse a alrededor de 0,3mm (0.012”). Este ajuste a un punto medio permitirá a la máquina cortar material de entre 3mm (1/8”) y 16mm (5/8”) de espesor. Sin embargo, si luego esta cizalla-punzonadora universal necesitara cortar más de 16mm (5/8”) de espesor, el juego entre cuchillas debería incrementarse ligeramente para albergar este incremento en espesores a cortar.

Cortando Ángulos y Formas

 
Esta cuchilla de corte de ángulos está posicionada de tal forma que corta ambas alas del ángulo a la vez.

El mercado ofrece diferentes tipos de cuchillas para cortar ángulos y similares piezas de ángulos. Algunos sistemas cortan primero un ala y después la otra mientras que con otros sistemas se cortan ambas alas a la vez (ver Figura 3). Esto permite a las empresas – en concreto a los talleres de estructuras metálicas que con frecuencia cortan ángulos de lados desiguales como material de 127x75mm (5”x3”), 150x50mm (6”x4”) – cortar ángulos sin deformación. La cuchilla se desliza sobre unas guías junto con la máquina. Durante el ciclo de corte, la cuchilla desciende hasta que se asienta en la V del ángulo y conforme hace esto tanto el ala vertical como horizontal son cortados al mismo tiempo. Las cizallas-punzonadoras universales también ofrecen otras estaciones en las que se pueden cortar formas especiales tales como canal C, barras en T y vigas en H.

Todavía el caballo de batalla

Las cizallas-punzonadoras universales han avanzado significativamente a través de los años. Actualmente las mesas de ejes y los CNC estén automatizando unos de los últimos bastiones de operaciones manuales en el taller. Pero tanto automáticas como manuales, las cizallas-punzonadoras universales siguen siendo unas de las máquinas más sencillas de utilizar. Son herramientas indispensables para fabricantes de estructuras y placas base, constructores de carrocerías de camiones, fabricantes de elementos decorativos, talleres pequeños de soldadura y cualquier otro negocio que precise una forma rápida de cortar, entallar y punzonar material. Si una empresa ha invertido en el tonelaje y las herramientas que necesita – incluyendo los correctos ajustes de la cizalla – contará con la tranquilidad de saber que esa cizalla-punzonadora resistirá el trabajo durante décadas.

Don Letourneau
product manager,
Comeq

Don Letourneau is product manager at Comeq, P.O. Box 207, White Marsh, MD 21162, 410-933-8500, fax 410-933-1600, www.comeq.com.

donl@comeq.com

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