Libro Conformado

ÍNDICE

CAPITULO I FUNDAMENTOS DEL FORMADO DE METALES 1.1

FUNDAMENTOS DE LA CONFORMACIÓN PLÁSTICA DE LOS METALES

1.2

CONFORMACIÓN PLÁSTICA

PROCESO DE DEFORMACIÓN VOLUMÉTRICA TRABAJO DE LÁMINAS METÁLICAS 1.3

COMPORTAMIENTO DEL MATERIAL EN EL FORMADO DE METALES ESFUERZO DE FLUENCIA

1.4

EFECTO DE LA TEMPERATURA DE DEFORMACIÓN

1.5

EFECTO DE LA VELOCIDAD DE DEFORMACION

1.6

EFECTO DE LAS ESTRUCTURAS METALÚRGICAS EN LOS PROCESOS DE

CONFORMACIÓN 1.7

MECÁNICA DE LA CONFORMACIÓN DE LOS METALES

1.8

ENSAYOS Y CRITERIOS DE FORMABILIDAD

1.9

LA FRICCIÓN EN LAS OPERACIONES DE CONFORMACIÓN

1.10

DEFORMACION VOLUMETRICA EN EL TRABAJO DE METALES

CAPITULO II LAMINADO 2.1

PRODUCTOS LAMINADOS

2.1

LAMINADO PLANO Y SU ANÁLISIS

2.3

LAMINADO DE PERFILES

2.4

MOLINOS LAMINADORES

2.5

EFECTOS DE LA CARGA DE LAMINADO

2.6

APLASTAMIENTO DE LOS RODILLOS

2.7

FLEXIONADO O COMBADURA DE RODILLOS

2.8

RESORTEO DEL MOLINO O DISTORSIÓN PLÁSTICA

2.9

CONTROL AUTOMATICO DEL CALIBRE

2.10

OTRAS OPERACIONES DE LAMINADO

2.11

LA TECNOLOGÍA DE LA FABRICACIÓN DE CILINDROS DE LAMINACIÓN POR DOBLE

COLADA O COLADA COMPUESTA CAPITULO III FORJADO

3.1

FORJADO

3.2

FORJADO EN DADO ABIERTO

3.3

FORJADO CON DADO IMPRESOR

3.4

FORJADO SIN REBABA

3.5

DADOS DE FORJADO, MARTINETES Y PRENSAS

3.6

CARACTERÍSTICAS DE LAS PIEZAS ESTAMPADAS

3.7

OTRAS OPERACIONES DE FORJA

3.8

DISEÑO DEL PRODUCTO PARA FORJA

3.9

EJEMPLO SOBRE FORJA

CAPITULO IV ESTIRADO 4.1

ESTIRADO DE ALAMBRES Y BARRAS

4.2

MECÁNICA DEL ESTIRADO

4.3

ANÁLISIS DEL ESTIRADO DE ALAMBRES Y BARRAS

4.4

PRÁCTICA DEL ESTIRADO

4.5

ESTIRADO DE TUBOS

CAPITULO V EXTRUSION

5.1

EXTRUSION GENERALIDADES

5.2

TIPOS DE EXTRUSIÓN

5.3

ANÁLISIS DE LA EXTRUSIÓN

5.4

DADOS Y PRENSAS DE EXTRUSIÓN

5.5

OTROS PROCESOS DE EXTRUSIÓN

5.6

DEFECTOS EN PRODUCTOS EXTRUIDOS

CAPITULO VI EMBUTIDO

6.1

GENERALIDADES

6.2

MECÁNICA DE EMBUTIDO

6.3

LÍMITES DEL EMBUTIDO:

6.4

OTRAS OPERACIONES DE EMBUTIDO

6.5

DEFECTOS EN EL EMBUTIDO

6.6

TIPOS DE HERRAMIENTAS DE EMBUTIDO:

6.7

DADOS Y PRENSAS PARA PROCESOS CON LAMINAS METÁLICAS

6.8

PRENSAS

6.9

CONSIDERACIONES EN DISEÑO DE LA HERRAMIENTAS:

6.10

ENSAYO DE ERICHSEN

CAPITULO VII DOBLADO

7.1

OPERACIONES DE DOBLADO

7.2

DOBLADO EN V Y DOBLADO DE BORDES

7.3

ANÁLISIS DE INGENIERÍA DEL DOBLADO

7.4

OTRAS OPERACIONES DE DOBLADO

7.5

DOBLADO DE TUBOS

CAPITULO VIII TROQUELADO 8.1

TROQUELADO DE METALES

8.2

CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES DEL TROQUELADO DE METALES

8.3

TROQUELADO CONVENCIONAL

8.4

PROCESO DE TROQUELADO FINO

8.5

CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS DE UN TROQUEL PARA PUNZONAR

8.6

REPUJADO DE PIEZAS DE METAL - SPINING

8.7

PIEZAS ESTAMPADAS POR ROTACION

8.8

PIESAS ELECTROFORMADAS

8.9

PIEZAS FORMADAS POR OTROS MÉTODOS

CAPITULO IX

METALURGIA DE POLVOS

9.1

CONCEPTO DE PULVIMETALURGIA

9.2

CARACTERISTICAS DE LOS POLVOS METALICOS

9.3

ALGUNOS METODOS DE OBTENCION DE POLVOS METALICOS

9.4

COMPACTACIÓN

9.5

SINTERIZACIÓN

9.6

ACABADOS MAS FRECUENTES EN PIEZAS SINTERIZADAS

9.7

APLICACIONES

Procesos de Manufactura II

Conformado De Metales

1


CAPITULO I FUNDAMENTOS DEL FORMADO DE

METALES

Los metales, los plásticos y los materiales de cerámicas se transforman en artículos útiles y productos de consumo por muchos diferentes medios. Los metales se vacíen de maneras diferentes en moldes para producir formas intrincadas pequeñas o partes para máquinas en producción en serie. Los metales también se laminan entre rodillos, se conforman en piezas y se martillan en matrices o se fuerzan a través de dados por extrusión para hacer formas especiales. Por ejemplo, el hierro y el acero se calientan a temperaturas altas para poder conformarlos fácilmente por forjado (martillado y comprimido). Aunque la forja fue en un tiempo una operación para metales en caliente, en la actualidad se practica el forjado en frío aún con el acero. A temperaturas intermedias se puede producir un material metalúrgicamente superior para algunos fines. Por ejemplo, en la conformación a calor medio, los materiales tenaces como el acero SAE 52100 se manufacturan por rutina en partes de alta calidad con los más bajos costos de producción de la conformación en frío.

2


3

Procesos de Manufactura II Gran parte de la manufactura se especializa en el proceso del metal laminado en operaciones de trabajo es frío como troquelado, estampado y conformación. La fabricación de utensilios para el hogar, de automóviles y de muchos otros productos dependen del proceso de lámina metálica. La maquinaria de toda clase que requiere partes de precisión depende del maquinado y de la industria de las maquinas herramientas, la cual se podría considerar como la base de la manufactura moderna. La industria de la herramienta y dados, aunque poco conocida y entendida, es la columna vertebral de la industria moderna. Todo proceso de manufactura depende prácticamente de los talleres de herramientas y dados en alguna medida. El estampado, el troquelado, el moldeo por inyección y el vaciado por inyección son solo algunos de los procesos para los cuales son absolutamente necesarios los servicios de las herramientas y de los dados. La manufactura de los materiales plásticos y compuestos está creciendo en forma constante y ha reemplazado a muchos productos que anteriormente se hacían de metal, cuero y madera. Muchas de éstas industrias de manufactura son independientes. Por ejemplo, los moldes para inyección de plástico requieren de herramienta especial y procesos especiales de maquinado de dados; la manufactura de la máquina moldeadora es un proceso de máquina herramienta. El formado de metales incluye varios procesos de manufactura en los cuales se usa la deformación plástica para cambiar la forma de las piezas metálicas. La deformación resulta del uso de una herramienta que usualmente es un dado para formar metales, el cual aplica esfuerzos que exceden la resistencia a la fluencia del metal. Por tanto, el metal se deforma para tornar la forma que determina la geometría del dado. En general, se aplica el esfuerzo de compresión para deformar plásticamente el metal. Sin embargo, algunos procesos de formado estiran el metal, mientras que otros lo doblan y otros más lo cortan. Para formar exitosamente un metal éste debe poseer ciertas propiedades. Las propiedades convenientes para el formado son generalmente una baja resistencia a la fluencia y alta ductilidad. Estas propiedades son afectadas por 4

Procesos de Manufactura II la temperatura. La ductilidad se incrementa y la resistencia a la fluencia se reduce cuando se aumenta la temperatura de trabajo. El efecto de la temperatura da lugar a la distinción entre trabajo en frío, trabajo en caliente por debajo de la temperatura de recristalización y trabajo en caliente. La velocidad de formación y la fricción son factores adicionales que afectan el desempeño del formado de metales. En este capítulo examinaremos dichos aspectos, pero primero proporcionamos una visión general de los procesos de formado de metales.

1.1

FUNDAMENTOS DE LA CONFORMACIÓN PLÁSTICA DE LOS METALES

INTRODUCCIÓN La metalurgia mecánica es la rama de la metalurgia que se ocupa principalmente de la respuesta de los metales frente a las fuerzas o cargas. Las fuerzas pueden resultar del empleo del material como miembro o pieza de una estructura o maquina, en cuyo caso es necesario saber algo respecto a los valores limites que aquel puede resistir sin fallar. Por otro lado, es necesario a veces transformar un lingote colado en una forma más útil, tal como una plancha plana, y entonces es preciso conocer las condiciones de temperatura y velocidad de carga para las que son mínimas las fuerzas que se necesitan para realizar tal trabajo de transformación. HIPÓTESIS DE LA RESISTENCIA DE MATERIALES En el método general de análisis empleado en la resistencia de materiales, se parte de la suposición de que el miembro esta en equilibrio. Se aplican las condiciones de equilibrio estático a las fuerzas que actúan en algunas partes del cuerpo para encontrar relaciones entre las fuerzas externas e internas. Como las ecuaciones de equilibrio deben expresarse en términos de fuerzas externas que actúan sobre el cuerpo, es necesario transformar las fuerzas resistentes internas en fuerzas externas.

5

Procesos de Manufactura II Otras hipótesis con: el cuerpo que se estudia es continuo, homogéneo e isótropo; Continuo pues no hay espacios vacíos, homogéneo porque tiene propiedades idénticas en todos sus puntos, e isótropo respecto de alguna propiedad cuando esta no varia con la dirección u orientación. A gran escala, el acero, la fundición, el aluminio, pueden considerarse como tales, pero a escala microscópica están constituidos por mas de una fase por lo que son heterogéneos. Los metales están constituidos como una agregación de granos cristalinos que poseen distintas propiedades en las diferentes direcciones cristalográficas, pero los granos son tan pequeños frente a nuestro volumen macroscópico que debe considerarlo homogéneo e isótropo. Sin embargo cuando los materiales se deforman severamente en una dirección particular (como ocurre en la laminación o en la forja) las propiedades pueden ser anisotrópicas en macro escala. DEFINICIONES Elasticidad: Significa que al cargar un cuerpo y luego descargarlo el mismo recupera su configuración geométrica inicial. La recuperación no tiene porque ser instantánea, pero siempre que el cuerpo recupere su configuración inicial (en forma instantánea o no), se dirá que el mismo es elástico. Plasticidad: Es el caso en que un cuerpo sometido a la acción de cargas exteriores, no recupera su configuración geométrica inicial luego de ser retiradas las mismas. Es decir queda una deformación plástica permanente o remanente que es lo que caracteriza a la plasticidad.

1.2

CONFORMACIÓN PLÁSTICA

CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS DE CONFORMACIÓN Los procesos de conformación se pueden clasificar en un número reducido de clases sobre la base de las fuerzas aplicadas al material cuando se le da la forma

requerida. 6

Procesos de Manufactura II Estas clases son: 1. Procesos de compresión indirecta. 2. Procesos de compresión directa. 3. Procesos de tracción. 4. Procesos de plegados o flexión. 5. Procesos de cizallamiento.

En los procesos de compresión la fuerza se aplica a la superficie de la pieza que se trabaja y el metal fluye formando ángulo recto con la dirección de la compresión. Los ejemplos principales son la forja y la laminación. Los procesos de compresión indirecta incluyen el estirado de tubos y alambres, la extrusión y el embutido profundo de una copa. Las fuerzas aplicadas son frecuentemente de tracción, pero se desarrollan fuerzas de compresión elevadas por reacción entre la pieza que se trabaja y la matriz. El metal fluye bajo un estado de tensiones combinadas en el que hay fuerzas de compresión elevadas en una de las direcciones principales, por lo menos. La conformación plástica se lleva acabo por cuatro razones principalmente. 1. Obtener la forma deseada 2. Mejorar las propiedades del material por modificación de la distribución de micro constituyentes. 3. Mejorar las propiedades del material por afino del tamaño de grano. 4. Introducir endurecimiento por deformación.

Los procesos de conformación plástica destinados a transformar un lingote o palanquilla en un producto tipificado de forma sencilla (Chapa, plancha o barra) se llaman procesos primarios de trabajo mecánico.

7

Procesos de Manufactura II Los métodos de conformación que producen piezas de la forma acabada definitiva se llaman procesos secundarios de trabajo mecánico.

Proceso de deformación volumétrica

Los procesos del formado se pueden clasificar en: 1) procesos de deformación volumétrica y 2) procesos de trabajo metálico. Los procesos de deformación volumétrica se caracterizan por deformaciones significativas y cambios de forma, la relación entre el área superficial y el volumen de trabajo es relativamente pequeña. El término volumétrico describe a las partes de trabajo que tienen esta baja relación de área volumen. La forma del trabajo inicial para estos procesos incluye tochos cilíndricos y barras rectangulares. La operación básica en deformación volumétrica se ilustra en la figura como sigue

: Laminado. Es un proceso de deformación por compresión en el cual el espesor de una plancha o placa se reduce por medio de herramientas cilíndricas opuestas llamadas rodillos. Los rodillos giran para estirar la placa y realizar el trabajo dentro de la abertura entre ellos y comprimirla.

Forjado. En el Forjado se comprime una pieza de trabajo entre dos dados opuestos, de manera que la forma del dado se imprima para obtener el trabajo requerido. El forjado es un proceso tradicional de trabajo en caliente, pero muchos tipos de forjado se hacen también en frío. Extrusión. Es un proceso de compresión en el cual se fuerza el metal de trabajo a fluir a través de la abertura de un dado para que tome, la forma de la abertura de éste en su sección transversal. Estirado. En este proceso de formado, el diámetro de un alambre o barra se reduce cuando se tira del alambre a través de la abertura del dado.

8


Figura Nº 1.1

9


Trabajo de láminas metálicas

Los procesos de trabajo con láminas metálicas son operaciones de formado o preformado de láminas de metal, tiras y rollos. La relación entre el área superficial y el volumen del material inicial es alta; por lo que esta relación es un medio útil para diferenciar la deformación volumétrica de los procesos con láminas metálicas. Prensado es el término que se aplica frecuentemente a las operaciones con láminas metálicas, debido a que las máquinas utilizadas para desempeñar estas operaciones son prensas (se usan también prensas de varios tipos en otros procesos de manufactura). La parte producida en una operación de laminado metálico se llama frecuentemente estampado. Las operaciones con láminas metálicas se ejecutan siempre en frío y se utiliza un juego de herramientas llamadas punzón y dado. El punzón es la porción positiva y el dado es la porción negativa del juego de herramientas. Las operaciones básicas con láminas de metal se describen en la figura y se definen como sigue: Doblado, El doblado implica la deformación de una lámina metálica o placa para que adopte un ángulo con respecto a un eje recto, en la mayoría de los casos. Embutido (estirado). En el trabajo de láminas metálicas, el embutido se refiere a la transformación de una lámina plana de metal en una forma hueca o cóncava, como una copa, mediante el estirado del metal. Se usa un sujetador para mantener fija la plantilla, mientras el punzón empuja la lámina de metal. Para distinguir esta operación del estirado de barras y alambres, se usan frecuentemente los términos embutido o estirado en copa o embutido profundo. Corte. Este proceso queda de alguna manera fuera de lugar en nuestra lista de procesos de deformación, debido a que implica más el corte que el formado del metal.

En esta operación se corta la parte usando un punzón y un dado. Aunque éste no es un proceso de formado se incluye aquí debido a que es una operación necesaria y muy común en el trabajo de láminas metálicas.

10


Figura Nº 1.2

1.3 COMPORTAMIENTO DEL MATERIAL EN EL FORMADO DE METALES

La curva esfuerzo-deformación ofrece una visión que permite comprender el comportamiento de los metales durante su formación. La curva típica de esfuerzodeformación para la mayoría de los metales se divide en una región elástica y una región plástica. En el formado de un metal, la región plástica es de interés primordial debido a que en estos procesos el material se deforma plástica y permanentemente.

La relación típica esfuerzo-deformación presenta elasticidad por debajo del punto de fluencia, y endurecimiento por deformación arriba de dicho punto. Las figuras muestran este comportamiento en ejes lineales y logarítmicos. En la región plástica, el comportamiento del metal se expresa por la curva de fluencia:

11


El esfuerzo y la deformación en la curva de fluencia son esfuerzo real y deformación real. La curva de fluencia es generalmente válida como una relación que define el comportamiento plástico de un metal en el trabajo en frío. Los valores típicos de K y n para diferentes metales a temperatura ambiente se enlistan en la tabla.

σ= K ε ε = ln ( l / lo ) Yf = K ε n n Yf = K ε / (1+ n) n

Criterios de Fluencia

Figura Nº 1.3

Criterios de Fluencia

12

Procesos de Manufactura II Esfuerzo de fluencia

La curva de fluencia describe la relación esfuerzo-deformación en la región donde tiene lugar el formado del metal. También indica el esfuerzo de fluencia del metal, la propiedad de resistencia que determina las fuerzas y la potencia requerida para realizar una operación particular de formado. La gráfica esfuerzo-deformación de la figura muestra que cuando la mayoría de los metales se deforman a temperatura ambiente, aumentan su resistencia debido al endurecimiento por deformación. El esfuerzo requerido para continuar la deformación debe incrementarse para contrarrestar este incremento de la resistencia. El esfuerzo de fluencia se define corno el valor instantáneo del esfuerzo requerido para continuar la deformación del material o mantener "fluyendo" al metal. Ésta es la resistencia a la fluencia del metal en función de la deformación, que puede expresarse como:

En la operaciones de formado individual que se revisarán en las dos secciones siguientes, se puede usar el esfuerzo de fluencia instantáneo para analizar la secuencia del proceso. Por ejemplo, en ciertas operaciones de forja se puede determinar la fuerza instantánea durante la compresión a

1.4

EFECTO DE LA TEMPERATURA DE DEFORMACIÓN

El trabajo de los metales suele dividirse en procesos de trabajo o conformación en caliente y procesos de trabajo o conformación en frío.

13

Procesos de Manufactura II El trabajo en caliente se define como una deformación en condiciones tales de temperatura y velocidad de deformación que se producen simultáneamente la restauración y la deformación. El trabajo en frío es el realizado en condiciones tales que no es posible que se produzcan eficazmente los procesos de restauración. En el trabajo en caliente se elimina el endurecimiento por deformación, y la estructura granular dislocada, por la formación de nuevos granos libres de deformación, recristalizando la estructura. Como dicha recristalizacion elimina las perturbaciones provocadas por la deformación se pueden lograr deformaciones muy grandes en caliente. El trabajo en caliente se realiza normalmente en condiciones de limite elástico, y este limite disminuye con la temperatura, es entonces mas pequeña la energía necesaria para la deformación que en el trabajo en frío, en el cual no se elimina el endurecimiento por deformación y la tensión de limite elástico aumenta con la deformación. Por esto es que la deformación total que puede darse en frío es menor que en caliente, a menos que en etapas intermedias por sucesivos tratamientos se elimine el endurecimiento por deformación.

TRABAJOS EN CALIENTE A las temperaturas a las que se realiza el trabajo en caliente no solo es menor la

energía necesaria para deformar el metal, y mayor la facilidad para que fluya sin agrietarse, sino que además facilita la homogeneización de la estructura de colada. factores dependientes de la temperatura: •Disminución de la resistencia de los cristales •Disminución de sus bordes 14

Procesos de Manufactura II Las sopladuras y rechupes internos se eliminan por soldaduras, las estructuras columnares por la recristalización y mejoran la ductilidad y la tenacidad. El trabajo en caliente presenta también desventajas: 1. Ordinariamente el trabajo en caliente se realiza al aire y se pierde una considerable cantidad de metal por oxidación. 2. Suele provocarse la descarburación del acero y es frecuente necesitar de un mecanizado extenso para eliminar las capas decarburadas. 3. La incrustación del oxido impide obtener buenas terminaciones superficiales. 4. Hay dilataciones y contracciones a las que hay que poner tolerancias, lo cual impide obtener una producción homogénea tal como se obtiene en el trabajo en frío. 5. La deformación es mas intensa en la superficie por lo que allí el grano es mas fino 6. En el centro el grano es más grande debido a que tarda mas para enfriarse hasta la temperatura ambiente que la superficie.

Formado en Caliente 1. Por encima de la temp. de recristalización (>0.5 Tm con Tm punto de fusión del metal, en Tª absoluta). 2. La forma de la parte de trabajo se puede alterar significativamente. 3. Se requiere menor potencia para deformar el metal. 4. Las propiedades de resistencia son generalmente isotrópicas. 5. El trabajo en caliente no produce fortalecimiento de la parte. 6. Precisión dimensional más baja. 7. Mayores requerimientos de energía para calentamiento de la parte. 8. Oxidación de la superfície de trabajo. 9. Acabado superficial más pobre y menor duración en la vida de las herramientas. 15


Formado en Tibio 1. Por debajo de la temperatura de recristalización (0.3 Tm con Tm punto de fusión del metal en Tª absoluta). 2. Fuerzas más bajas y menores requerimientos de potencia. 3. Son posibles trabajos más intrincados. 4. Se puede eliminar o reducir la necesidad de recocido. El limite superior de trabajo esta determinado por la temperatura a que se produce la fusión incipiente y suele tomarse una temperatura en 100ºC bajo del punto de fusión, para evitar la fusión en regiones segregadas que tienen punto de fusión mas bajo. Basta una delgadísima capa de constituyentes de bajo punto de fusión en limite de grano para que el material se desmenuce en trozos al ser deformado (fragilidad en caliente que produce quemado del metal) Cuanto mayor la deformación, el material pierde mas calor por conducción, convección y radiación , aunque gana por trabajo de deformación pero en definitiva resulta una mas baja es la temperatura de trabajo en caliente. TRABAJO EN FRÍO

Acarrea un aumento en la resistencia mecánica y una disminución de la ductilidad. Si provocamos grandes deformaciones el metal puede romperse antes de alcanzar la forma deseada. Por esta razón, puede realizarse en varias etapas, intercalando tratamientos térmicos intermedios (Ej. Recocido) que restauran la ductilidad y disminuyen la resistencia. Ajustando convenientemente el ciclo de trabajo en frío y tratamientos térmicos se pueden obtener piezas con cualquier grado de endurecimiento. Formado en Frío 1. Mayor precisión, tolerancias más estrechas. 16

Procesos de Manufactura II 2. Mejora el acabado superficial. 3. El endurecimiento por deformación aumenta la resistencia y dureza de la parte. 4. Orientación de granos mas favorable. 5. Ahorro en costos de horno y combustible. 6. Requiere mayor potencia para desempeñar las operaciones 7. Limpieza inicial de las superficies. 8. Ductilidad y Endurecimiento por deformación del metal de trabajo limitan la deformación a realizar.

La ventaja más significativa del trabajo en caliente es la capacidad de producir deformaciones plásticas sustanciales del metal, más de las que son posibles con el trabajo en frío o el trabajo que se lleva a cabo por debajo de la temperatura de recristalización. La razón principal es que la curva de fluencia del metal trabajado en caliente tiene un coeficiente de resistencia sustancialmente menor que a temperatura ambiente, el exponente de endurecimiento por deformación es cero (al menos teóricamente), y la ductilidad del metal se incrementa significativamente. Todo esto da por resultado las siguientes ventajas con respecto al trabajo en frío: 1) la forma de la parte de trabajo se puede alterar significativamente, 2) se requiere menor potencia para deformar el metal, 3) los metales que usualmente se fracturan en el trabajo en frío, pueden formarse en caliente, 4) las propiedades de resistencia son generalmente isotrópicas debido a la ausencia de una estructura orientada de granos creada en el trabajo en frío, 5) el trabajo en caliente no produce fortalecimiento de la parte. Esta última ventaja puede parecer inconsistente, ya que el aumento en la resistencia del metal se considera frecuentemente esta es una ventaja del trabajo en frío. Sin embargo, hay aplicaciones en las cuales es indeseable que el metal se endurezca por trabajo debido a que reduce su ductilidad, por ejemplo, cuando la parte tiene que procesarse posteriormente en frío. Otras desventajas son: precisión dimensional más baja, mayores requerimientos de energía (energía térmica para calentar la pieza de trabajo), oxidación de la superficie de trabajo (incrustaciones), acabado superficial más pobre y menor duración en la vida de las herramientas.

17

Procesos de Manufactura II La recristalización del metal en el trabajo en caliente involucra difusión atómica, proceso que depende del tiempo. Las operaciones de formado del metal se desempeñan frecuentemente a altas velocidades que no dejan tiempo suficiente para completar la recristalización de la estructura granular durante el ciclo de deformación. Sin embargo, debido a las altas temperaturas, la recristalización sólo ocurre eventualmente; ya sea inmediatamente después del proceso de formado o más tarde, al enfriarse la pieza de trabajo. Aun si la recristalización ocurre después de la verdadera deformación, su ocurrencia eventual junto con el suavizado sustancial del metal a altas temperaturas es la característica que distingue al trabajo en caliente del trabajo en tibio o en frío.

Formado isotérmico Ciertos metales como los aceros altamente aleados (por ejemplo, acero de alta velocidad), Muchas aleaciones de titanio y las aleaciones de níquel para altas temperaturas poseen buena dureza en caliente, esta propiedad los hace útiles para el servicio a altas temperaturas. Y aunque dichas propiedades los hacen atractivos para estas aplicaciones, también los hace difíciles de formar por métodos convencionales. El problema es que cuando estos metales se calientan a las temperaturas de trabajo en caliente y entran en contacto con las herramientas de formado relativamente frías, el calor es transferido rápidamente fuera de la superficie de la parte, elevando la resistencia en estas regiones. La variación en la temperatura y la resistencia en diferentes regiones de la pieza de trabajo producen patrones de flujo irregular en el metal durante la deformación esto conduce a la formación de esfuerzos residuales y al posible agrietamiento superficial.

El formado isotérmico se refiere a las operaciones de formado que se llevan a cabo de tal manera que eliminan el enfriamiento superficial y los gradientes térmicos resultantes en la pieza de trabajo. Se realiza por precalentamiento de las herramientas que entran en contacto con la parte a la misma temperatura de trabajo del metal. Esto

desgasta las herramientas y reduce su vida, pero evita los problemas descritos cuando los metales difíciles se forman por métodos convencionales. En algunos casos el 18

Procesos de Manufactura II formado isotérmico representa la única forma en que pueden formarse estos materiales de trabajo. El procedimiento se asocia más estrechamente con el forjado, revisaremos el forjado Formado Isotérmico

•

Materiales especiales para altas temperaturas.

•

Consiste en eliminar el enfriamiento superficial y los gradientes térmicos mediante el precalentamiento de las herramientas.

•

1.5

Disminución de la vida de las herramientas.

EFECTO DE LA VELOCIDAD DE DEFORMACION

En el trabajo en caliente, un metal se comporta teóricamente como un material perfectamente plástico, con un exponente de endurecimiento por deformación n = 0. Esto significa que una vez que se alcanza el nivel del esfuerzo de fluencia, el metal debe continuar fluyendo bajo el mismo nivel de esfuerzo. Sin embargo, un fenómeno adicional caracteriza el comportamiento de los metales durante su deformación, especialmente a las temperaturas elevadas del trabajo en caliente. Este fenómeno es la sensibilidad a la velocidad de deformación. En nuestra revisión, empezaremos por definir la velocidad de deformación, La respuesta de un metal a la conformación depende de la velocidad de

deformación. Ciertos metales pueden romperse por debajo de una temperatura determinada si se les aplica una carga a mucha velocidad o por el choque.

19


Figura Nº 1.4

VALORES TÍPICOS DE VELOCIDAD EN DISTINTOS ENSAYOS DE

DEFORMACIÓN Las velocidades en la mayor parte de los procesos industriales son mayores que en un ensayo de tracción por lo que los valores del límite elástico determinados en dicho ensayo no pueden ser aplicados directamente al cálculo de cargas empleadas en la conformación. En el trabajo en frío, la velocidad de deformación tiene poca influencia, salvo algunos materiales de comportamiento frágil en ciertos intervalos de temperatura para elevadas velocidades de deformación. El límite elástico para el trabajo en caliente es fuertemente afectado por la velocidad de deformación. Para medir el limite elástico durante las operaciones de 20

Procesos de Manufactura II conformación en caliente se emplea una maquina de compresión a alta velocidad (Plastometro). A grandes velocidades la temperatura de trabajo en caliente debe ser más elevada pues el tiempo de permanencia a esa temperatura es más breve. Pero esto aumenta el peligro de la fragilidad en caliente.

La rapidez a la que se deforma el metal en un proceso de formado se relaciona directamente con la velocidad de deformación v. En muchas operaciones de formado, la velocidad de deformación es igual a la velocidad del punzón o de cualquier otro elemento móvil del equipo. Esto se visualiza más fácilmente en un ensayo de tensión, como la velocidad del cabezal de la máquina con respecto al cabezal. Dada la rapidez de deformación, la velocidad de deformación se define:

Si la velocidad de deformación v es constante durante la operación, entonces ésta varía al cambiar h (debido al esfuerzo de tensión o compresión). En la mayoría de las operaciones prácticas de formado, la valoración de la velocidad de deformación se complica por la geometría de la parte de trabajo y las variaciones en la velocidad de deformación en diferentes regiones de la parte. La velocidad de deformación puede -1

alcanzar 1000 s o más para algunos procesos de formado de metal como laminado y forjado a alta velocidad. Ya hemos observado que el esfuerzo de fluencia de un metal es una función de la temperatura. En las temperaturas del trabajo en caliente, el esfuerzo de fluencia depende de la velocidad de deformación. El efecto de la velocidad de deformación sobre las propiedades de resistencia se conoce como sensibilidad a la velocidad de 21

Procesos de Manufactura II deformación. El efecto se puede ver en la figura 3.4. Al aumentar la velocidad de deformación, se incrementa la resistencia a la deformación. Esto se representa usualmente como una línea aproximadamente recta en una gráfica log-log, lo cual conduce a la siguiente relación.

Figura Nº 1.5

El efecto de la temperatura sobre los parámetros de la ecuación es bastante pronunciado. Al incrementar la temperatura, decrece el valor de C (consistente con su efecto sobre K en la ecuación de la curva de fluencia) y aumenta el valor de m. A temperatura ambiente el efecto de la velocidad de deformación es casi despreciable, e indica que la curva de fluencia es una buena representación del comportamiento del material. A medida que aumenta la temperatura, la velocidad de deformación juega un papel más importante en la determinación del esfuerzo de fluencia, como se indica por 22

Procesos de Manufactura II las pendientes más grandes de las relaciones deformación-velocidad. Esto es importante en el trabajo en caliente porque la resistencia a la deformación del material aumenta dramáticamente con el incremento de la velocidad de deformación Para dar una idea del efecto, en la tabla se dan los valores típicos de m para los tres rangos de temperatura del trabajo en metales.

Figura Nº 1.6

Tabla Nº 1.1

23


Podemos observar que aun en el trabajo en frío la velocidad de deformación puede tener un efecto mínimo sobre el esfuerzo de fluencia. En el trabajo en caliente el efecto puede ser significativo. Una expresión más completa para el esfuerzo de fluencia como función de la deformación y de la velocidad de deformación podría ser la siguiente:

1.6

EFECTO DE LAS ESTRUCTURAS METALÚRGICAS EN LOS PROCESOS DE

CONFORMACIÓN Las fuerzas necesarias para realizar la conformación están íntimamente ligadas al límite elástico, que a su vez depende de la estructura metalúrgica y la composición de la aleación. En los metales puros, la facilidad del trabajo mecánico disminuye al aumentar el punto de fusión, y la temperatura mínima de trabajo en caliente aumentará también con el punto de fusión. La adición de elementos de aleación eleva la curva de fluencia cuando forman solución sólida y por consiguiente aumentan las fuerzas necesarias, a su vez hacen descender el punto de fusión por lo que las temperaturas de trabajo serán mas bajas. Las características de trabajo plástico de las aleaciones de dos fases dependen de

la distribución microscópica de la segunda fase.

24

Procesos de Manufactura II • La presencia de una fracción grande de partículas duras uniformemente distribuidas incrementa el límite de fluencia. • Si en cambio son blandas no producen gran variación en las condiciones de trabajo, • Si tienen bajo punto de fusión pueden dar fragilidad en caliente. • En el acero recocido, un tratamiento de globulización que convierte laminillas de cementita de la perlita en glóbulos mejora el trabajo en frío. • Si la segunda fase dura se localiza en el límite de grano dificulta la conformación, pues se puede producir fractura en límite de grano. Las partículas de segunda fase tenderán a tomar la forma y distribución que corresponde a la deformación del cuerpo. • Si son más blandas y dúctiles que la matriz, las partículas que son originalmente esféricas tomaran una forma elipsoidal. • Si son mas duras, no se deformarán. La orientación de estas partículas (en trabajo en caliente) y la fragmentación de los granos (trabajo en frío) son responsables de la estructura fibrosa típica que puede ponerse de manifiesto por macro ataque. Una consecuencia de este fibrado mecánico es que las propiedades mecánicas pueden ser diferentes para distintas orientaciones de las probetas de ensayo con respecto a la dirección principal de conformación. En general, la ductilidad en tracción, las propiedades de fatiga y las de choque serán más bajas en la dirección transversal que en la longitudinal. Si en una aleación se produce una precipitación mientras el metal se está conformando, aumenta el límite elástico y disminuye su ductilidad pudiendo producirse el agrietamiento. La precipitación se produce normalmente cuando la velocidad de conformación es pequeña y la temperatura elevada. 25

Procesos de Manufactura II Si en cambio se produce un cambio de fase esto contribuye a aumentar el limite elástico de los productos laminados en frío, y puede producirse el agrietamiento.

1.7

MECÁNICA DE LA CONFORMACIÓN DE LOS METALES Uno de los objetivos es llegar a expresar las fuerzas y las deformaciones de los

procesos en el lenguaje de le mecánica aplicada para poder predecir las fuerzas que se necesitan para obtener una forma determinada. Es necesario el empleo de hipótesis simplificativas. El criterio de fluencia de Von Mises o de la energía de deformación es el que da resultados que están mas de acuerdo con los experimentales. ( σ1-σ2)2 + (σ2 - σ3)2 + (σ3 - σ1)2= 2 x σo2 En tanto que los criterios de la máxima tensión cizallante difieren solo en un 15% que teniendo en cuenta las imprecisiones de los análisis de las operaciones complejas se puede considerar análogo al anterior σ3 - σ1 = σo Se utilizara esta ley en todas las ocasiones en que su aplicación simplifique el análisis. Una de las hipótesis que se emplea es la eliminación o introducción de una tensión hidrostática no afecta al límite elástico ni al estado de deformación. Se considera que el tensor desviador es el único que tiene importancia para la producción del flujo plástico. Sin embargo la presión hidrostática modifica el flujo plástico cuando las deformaciones son grandes y aumentando dicha presión se eleva la curva de fluencia 26

Procesos de Manufactura II en la región de las deformaciones grandes y además aumenta la ductilidad de los metales en tracción. Esto explica porque materiales normalmente frágiles se puedan extrudar con éxito, ya que en este proceso se desarrolla una compresión hidrostática elevada por la reacción entre el material que se extruda y el cuerpo de extrusión. Suponemos que el volumen se mantiene constante durante la deformación: ε1 + ε2 + ε3 = 0

o

dε1 + dε2 + dε3 = 0

Se admite que el incremento de la deformación es proporcional a la deformación total.

dε1 / ε1 = dε2 / ε2 = dε3 / ε3

Una premisa básica es la de que para deformaciones de tracción o compresión equivalentes se producen endurecimientos por deformación también equivalentes. Para una deformación de tracción ε1 igual a una compresión ε2 se puede escribir: ε1 = - ε3 = Ln ( l1/l0 ) = - Ln ( h1/h0 ) = Ln ( h0/h1 ) ( l0/l1 ) = ( h1/h0 ) ( h1/h0 ) = 1 + ( h1 – h0 ) / h0 Y como el volumen se mantiene constante: l0 / l1 = A1 / A0 = 1 – ( A0 - A1 ) / A0 Entonces ( h1 – h0 ) / h0 = ( A0 - A1 ) / A0 27


O sea, para deformaciones iguales, la reducción de la sección transversal es igual a la reducción de la altura o de espesor. La curva de fluencia es la relación fundamental referente al comportamiento del material en cuanto al endurecimiento por deformación. Se emplea para determinar el límite elástico o, en el cálculo de las cargas de conformación. Este valor es menor que el que se produce en el endurecimiento por deformación ya que el material sufre flujo no uniforme pues no se lo deja fluir libremente. En algunos casos (Extrusión) se alcanzan deformaciones mucho mayores que en el ensayo de tracción o compresión, del orden del 70 al 80%. En trabajo en caliente, el metal se comporta como plástico ideal, la tensión de fluencia se mantiene constante y es independiente de la deformación para temperatura y velocidades determinadas. En trabajo en frío, es corriente emplear un valor constante de la tensión de fluencia que sea un promedio de la deformación total. Para describir el flujo plástico, es tan importante indicar las condiciones geométricas del flujo con respecto al sistema de tensiones como el poder predecir la clase de tensión que produce el flujo plástico. Una hipótesis básica, es la de que en cualquier instante del proceso de conformación, las condiciones geométricas de las velocidades de deformación son las mismas que las de las tensiones o sea que las deformaciones y las tensiones son coaxiales, lo cual sirve para deformaciones no muy grandes. TRABAJO DE DEFORMACIÓN PLÁSTICA El trabajo total

necesario para producir una forma por deformación plástica

puede descomponerse en trabajos parciales: 28


El trabajo de deformación ( Wd ) es el trabajo necesario para que todo el volumen pase de la sección inicial a la final por deformación uniforme. Una parte del trabajo total se consume como trabajo superflua ( Wr ), que es el trabajo de deformación interna que no interviene en un puro cambio de forma. Por ultimo, otra parte se consume al vencer las resistencias de fricción en las intercaras entre metal conformado y la herramienta ( Wf ). Principio Documento

Wt = Wd + Wr + Wf Se deduce que el trabajo de deformación es la energía mínima que debe consumirse para provocar una deformación y es: Wd = V x ∫ σ x dε Y el trabajo total ideal por unidad de volumen para el caso de deformación proporcional será: Wd = ( 2 / √3 ) x σ0 x √ ( ε12 + ε1 x ε2 + ε2 )

1.8

ENSAYOS Y CRITERIOS DE FORMABILIDAD Dada la imposibilidad de obtener datos seguros de la resistencia a la

deformación de los metales en el trabajo de conformación en caliente a velocidades elevadas, se ha desarrollado cierto número de ensayos para evaluar la deformabilidad en caliente de los materiales. El ensayo de un solo golpe se ha empleado para estimar si un metal puede o no trabajarse en caliente sin agrietamiento.

29

Procesos de Manufactura II Se ha encontrado buena correlación entre los resultados de torsión y algunas operaciones como la forja y el punzonado de redondos macizos para fabricar tubos sin costura. En las operaciones de conformación de la chapa, en las que unas regiones no pueden deformarse y otras deben adaptarse a formas determinadas es necesario que el metal pueda deformarse sin que se produzcan deformaciones localizadas. Un ensayo cualitativo para estimar la capacidad de conformación de la chapa es el ensayo de doblado, se doblan alrededor de radios progresivamente más pequeños hasta que formen grietas en la cara de tracción (externa). El radio mínimo de doblado se toma como el más pequeño que puede emplearse sin agrietamiento.

1.9

LA FRICCIÓN EN LAS OPERACIONES DE CONFORMACIÓN Es muy importante tomar en cuenta las fuerzas de fricción engendradas entre la

pieza que se trabaja y las herramientas, ya que aumentan materialmente la resistencia a la deformación. Son muy difíciles de medir y constituyen el factor más incierto en el análisis de las operaciones de conformación. Se emplean diversos métodos de lubricación para aminorar todo lo posible las fuerzas de fricción. La fricción entre la pieza y las herramientas originan tensiones cizallantes a lo largo de las superficies en contacto verificándose: τ/σ=f f depende del material que se trabaja, del de las herramientas, de la rugosidad de la superficie, del lubricante, de la velocidad de deformación y de la temperatura. La fricción aumenta con el movimiento relativo de la pieza y herramienta, pero disminuye apreciablemente para altas velocidades. 30


Suelen ser mayores en los trabajos en caliente debido a que la oxidación empasta las superficies del material. En la presente sección nos enfocaremos a los efectos de la fricción en las operaciones de formado de metales y al uso de los lubricantes para mitigar estos efectos Fricción 1. Retarda el flujo del matal, ocasionando esfuerzos residuales. 2. Aumenta fuerzas y potencias requeridas. 3. Mayor desgaste de herramientas. Lubricación 1. En frío: aceites minerales, grasas, emulsiones en agua, jabones, etc.. 2. En caliente: aceites minerales, grafito y vidrio.

Fricción en el formado de metales

La fricción en el formado de metales es diferente a la que se encuentra en la mayoría de los sistemas mecánicos, como cajas de engranes, rodamientos y otros componentes que involucran un movimiento relativo entre las superficies. Estos casos se caracterizan generalmente por bajas presiones de contacto, temperaturas entre bajas y moderadas, y una lubricación amplia para minimizar el contacto entre los

metales. Por el contrario, las condiciones en el formado de metales representan presiones altas entre la superficie dura de la herramienta y la parte suave de trabajo, deformación plástica del material más suave y altas temperaturas (al menos en el trabajo en caliente). Estas condiciones pueden generar coeficientes de fricción relativamente altos en el metal de trabajo, incluso con la adición de lubricantes. 31

Procesos de Manufactura II La fricción en el formado de metales surge debido al estrecho contacto entre las superficies de la herramienta y el material de trabajo, y a las altas presiones que soportan las superficies en estas operaciones. En la mayoría de los procesos de formado, la fricción es inconveniente por las siguientes razones: 1) retarda el flujo del metal en el trabajo, ocasionando esfuerzos residuales y algunas veces defectos del producto, 2) se incrementan las fuerzas y la potencia para desempeñar la operación, 3) ocurre un rápido desgaste de las herramientas. El desgaste de la herramienta puede conducir a la pérdida de la precisión dimensional, y por ende a la fabricación de piezas defectuosas y al reemplazo de las herramientas. Como las herramientas para formado de metales son generalmente costosas, esto tiene una mayor importancia. La fricción y el desgaste de las herramientas son más severos en el trabajo en caliente, debido a las condiciones más rudas. Si el coeficiente de fricción llega a ser lo suficientemente grande ocurre una condición conocida como adherencia. La adherencia en el trabajo de metales (también llamada adherencia por fricción) es la tendencia de dos superficies en movimiento relativo a pegarse una a la otra en lugar de deslizarse. Esto significa que el esfuerzo de fricción entre las superficies excede al esfuerzo de flujo cortante del metal de trabajo, ocasionando que el metal se deforme por un proceso de corte por debajo de la superficie, en lugar de que ocurra un deslizamiento entre las superficies. La adherencia ocurre en las operaciones de formado de metal y es un problema prominente en el laminado. Lubricantes en el formado de metales

Los lubricantes para el trabajo de los metales se aplican en la interfase herramienta -trabajo en muchas operaciones de formado para reducir los perjudiciales efectos de la fricción. Los beneficios que se obtienen de su aplicación incluyen la reducción en la adherencia, en las fuerzas, en la potencia y en el desgaste de las herramientas, así como un mejor acabado de la superficie en el producto final, Los lubricantes tienen también otras funciones como reducir el calor de las herramientas. Las consideraciones para escoger un lubricante apropiado para el trabajo de metales incluyen el tipo de procesos de formado que se va a utilizar (laminado, forjado, embutido de lámina metálica u otros), ya sea trabajo en caliente o trabajo en frío, así 32

Procesos de Manufactura II como el material de trabajo, la reactividad química con la herramienta y con los metales de trabajo (por lo general, es deseable que los lubricantes se adhieran a las superficies para que sean más efectivos en la reducción de la fricción), facilidad de aplicación, toxicidad, inflamabilidad y costo. Los lubricantes usados para operaciones de trabajo en frío incluyen aceites minerales grasas y aceites grasos, emulsiones en agua, jabones y otros recubrimientos. El trabajo en caliente se realiza algunas veces en seco para ciertas operaciones y materiales (por ejemplo el laminado en caliente del acero y la extrusión de aluminio. Cuando los lubricantes se usan para trabajo en caliente incluyen aceites minerales, grafito y vidrio. El vidrio fundido se convierte en un lubricante efectivo para la extrusión de aleaciones de acero. El grafito contenido en agua o aceite mineral es un lubricante común para el forjado en caliente de varios materiales de trabajo. En las referencias y se encuentran tratados más detallados de los lubricantes en el trabajo de metales.

1.10

DEFORMACION VOLUMETRICA EN EL TRABAJO DE METALES En general se menciona estos procesos cuando se tiene una parte inicial más

voluminosa que laminar, y las deformaciones son significativas con referencia a su forma inicial. Los procesos de deformación volumétrica que se describen en esta sección son: 1) laminado, 2) forjado, 3) extrusión, 4) estirado de alambre y barras. La sección también documenta las variantes y operaciones afines a estos cuatro procesos básicos que se han desarrollado a través de los años. Estos proceso se pueden clasificar en: operaciones en frió o en caliente. Se realiza las operaciones en frió cuando la deformación no es tan significativa y se requiere mejorar las propiedades mecánicas de las partes con un buen acabado superficial. El trabajo en caliente se realiza cuando la deformación es significativa comparada con la parte original. La importancia tecnológica y comercial de los procesos de deformación volumétrica deriva de lo siguiente: Con las operaciones de trabajo en caliente se pueden lograr cambios significativos en la forma de las partes de trabajo. 33

Procesos de Manufactura II Las operaciones de trabajo en frío se pueden usar no solamente para dar forma al trabajo, sino también para incrementar su resistencia. Estos procesos producen poco o ningún desperdicio como subproducto de la operación. Algunas operaciones de deformación volumétrica son procesos deforma neta o casi neta; se alcanza la forma final con poco o ningún maquinado posterior.

34


CAPITULO II LAMINADO

2.1

PRODUCTOS LAMINADOS El laminado es un proceso de deformación en el cual el metal pasa entre dos

rodillos y se comprime mediante fuerzas de compresión ejercidas por los rodillos. Los rodillos giran, para jalar el material y simultáneamente apretarlo entre ellos. Un proceso estrechamente relacionado es el laminado de perfiles, en el cual una sección transversal cuadrada se transforma en un perfil, como por ejemplo un perfil I. El laminado es un proceso de conformado en el cual se hace pasar al metal por trenes de rodillos paralelos que le dan una forma progresivamente más parecida a la deseada. La mayoría de los procesos de laminado involucra una alta inversión de capital, ya que se requiere equipos pesados llamados molinos laminadores o de laminación, El alto costo de inversión requiere que la producción sea en grandes cantidades y por lo general artículos estándares como láminas y placas. La mayoría de los productos laminados se realizan en caliente debido a la gran cantidad de deformación requerida, y se le llama laminado en caliente. Los metales laminados en caliente están generalmente libres de esfuerzos residuales y sus propiedades son isotrópicas. Las desventajas del laminado en caliente son que el producto no puede mantenerse dentro de tolerancias adecuadas, y la superficie presenta una capa de óxido característica. 35


Examinemos la secuencia de pasos en un molino de laminación para ilustrar la variedad de productos que pueden hacerse. El trabajo empieza con un lingote de acero fundido y recién solidificado. Aún caliente, el lingote se coloca en un horno donde permanece por muchas horas, hasta alcanzar una temperatura uniforme en toda su extensión, para que pueda fluir consistentemente durante el laminado. Para el acero, la temperatura de laminación es alrededor de 1200 ºC. La operación de calentamiento se llama recalentada, y los hornos en los cuales se lleva a cabo se llaman fosas de recalentamiento

Figura Nº 2.1

36


Figura Nº 2.2. Diferentes Procesos deLaminación

37


Figura Nº 2.3 El lingote recalentado pasa al molino de laminación, donde se lamina para convertirlo en una de las tres formas intermedias llamadas lupias, tochos o planchas. Una lupia tiene una sección transversal cuadrada de 150 mm de lado o mayor. Un tocho se lamina a partir de una lupia, es de sección transversal cuadrada de 38 mm por 38

Procesos de Manufactura II lado o mayor. Una plancha se lamina a partir de un lingote o de una lupia y, tiene una sección rectangular de 250 mm de ancho o más, y un espesor de 38 mm o más. Estas formas intermedias se laminan posteriormente para convertirlas en productos finales. Las lupias se laminan para generar perfiles estructurales y rieles para ferrocarril. Los tochos se laminan para producir barras y varillas. Estas formas son la materia prima para el maquinado, estirado de alambre, forjado y otros procesos de trabajo de metales. Las planchas se laminan para convertirlas en placas, láminas y tiras. Las placas laminadas en caliente se usan para la construcción de barcos, puentes, calderas, estructuras soldadas para maquinaria pesada, tubos y tuberías, y muchos otros productos. La figura 3.7 muestra algunos de estos productos laminados de acero.

2.1

LAMINADO PLANO Y SU ANÁLISIS

Figura Nº 2.4

39


Figura Nº 2.5 Esquemas del proceso de laminación y la deformación de la estructura cristalina de los metales El laminado plano se ilustra en las figuras, involucra el laminado de planchas, tiras, láminas y placas, partes de trabajo de sección transversal rectangular con un ancho mayor que el espesor. En el laminado plano, se presiona el material de trabajo entre dos rodillos de manera que su espesor se reduce

40


Cuando se usa una serie de operaciones de laminado la reducción se toma como la suma de los adelgazamientos dividida entre el espesor original. Además de reducir el espesor, el laminado incrementa usualmente el ancho del material de trabajo. Esto se llama esparcido y tiende a ser más pronunciado con bajas relaciones entre espesor y ancho, así como con bajos coeficientes de fricción. Existe la conservación del material, de tal manera que el volumen de metal que sale de los rodillos es igual al volumen que entra a los rodillos

Los rodillos entran en contacto con el material de trabajo, a lo largo de un arco de 41

Procesos de Manufactura II contacto definido por el ánguloθ. Cada rodillo tiene un radio R y su velocidad de rotación, tiene una velocidad superficial vr . Esta velocidad es mayor que la velocidad de trabajo vo y menor que la velocidad de salida vf . Como el flujo de metal es continuo, hay un cambio gradual en la velocidad del material de trabajo entre los rodillos, Sin embargo, existe un punto a lo largo del arco donde la velocidad de trabajo se iguala la velocidad del rodillo. Este punto se llama punto de no deslizamiento, también conocido como punto neutro. A cualquier lado de este punto, ocurren deslizamientos con fricción entre el rodillo y el material de trabajo. La cantidad de deslizamiento entre los rodillos y el material de trabajo puede medirse por medio del deslizamiento hacia adelante, este término se usa en laminado y se define como:

El esfuerzo de fluencia promedio será útil para calcular las estimaciones de fuerza y potencia en laminado.

La fricción se presenta en el laminado con un cierto coeficiente de fricción, la fuerza de compresión de los rodillos, multiplicada por este coeficiente de fricción da por 42

Procesos de Manufactura II resultado una fuerza de fricción entre los rodillos y el material de trabajo. En el lado de la entrada, fuerza de fricción tiene una dirección; en el otro lado, tiene la dirección opuesta. Sin embargo, las dos fuerzas no son iguales. La fuerza de fricción es mayor en la entrada, de manera que la fuerza neta que jala el material de trabajo a través de los rodillos. El laminado no sería posible sin estas diferencias. Hay un límite para el máximo d posible que puede alcanzar el laminado plano con un coeficiente de fricción, dado por

La ecuación indica que si la fricción fuera cero, el adelgazamiento podría ser cero y esto haría imposible la operación de laminado El coeficiente de fricción en el laminado depende de varios factores como lubricación, material de trabajo y temperatura de laminado, en la tabla se dan algunos valores típicos de coeficientes de fricción según el tipo de laminado.

El laminado en caliente se caracteriza frecuentemente por una condición llamada adherencia en la cual la superficie caliente del material de trabajo se pega a los rodillos 43

Procesos de Manufactura II sobre el arco de contacto. Esta condición ocurre frecuentemente en el laminado de aceros y aleaciones para alta temperatura. Cuando ocurre la adherencia, el coeficiente de fricción puede ser tan alto como 0.7. La consecuencia de la adherencia es que las capas superficiales del material de trabajo no se pueden mover a la misma velocidad que la velocidad del rodillo vr y debajo de la superficie la deformación es más severa a fin de permitir el paso d e la pieza a través de la abertura entre los rodillos. Dado un coeficiente de fricción suficiente para realizar el laminado, la fuerza F requerida para mantener la separación entre los dos rodillos se puede calcular integrando la presión unitaria de laminado sobre el área de contacto rodillo-material de trabajo. Esto se puede expresar como sigue:

La integración requiere dos términos separados, uno a cada lado del punto neutro.

Las variaciones, en la presión del rodillo a lo largo de la longitud de contacto son significativas. La figura da una idea de esta variación. La presión alcanza un máximo en el punto neutro y se desvanece a cada lado de los puntos de entrada y salida. Al aumentar la fricción, la presión se incrementa al máximo relativo entre los valores de entrada y salida. Al disminuir la fricción el punto neutro se corre hacia la salida a fin de

mantener una fuerza neta que jale el material en la dirección del laminado. De otra 44

Procesos de Manufactura II forma, con una baja fricción, el material de trabajo podría deslizarse en lugar de pasar entre los rodillos.

Distribución de la carga ejercida por los rodillos.

Fuerza requerida para mantener la separación de los rodillos: Aproximación: F = Yf w L L = R (to – tf) T=FL/2 P=Tω=T2πN=πFLN Tensión a la entrada, a la salida o ambas (disminución de Yf)

45


Figura Nº 2.6

Se puede calcular una aproximación de los resultados, con base en el esfuerzo de fluencia promedio que experimenta el material durante el proceso de laminado. Esto es 46


El momento de torsión en laminado se puede estimar suponiendo que la fuerza ejercida por los rodillos se centra en el material de trabajo, conforme pasa entre ellos y actúa con un brazo de palanca de la mitad de la longitud de contacto L. Entonces, el momento de torsión para cada rodillo es:

La potencia requerida para mover cada rodillo es el producto del momento de torsión y la velocidad angular. La velocidad angular es πN /30 , donde N = velocidad de rotación del rodillo en (rev/min). Así, la potencia para cada rodillo es

Al sustituir en la expresión anterior para la potencia de un rodillo, y al duplicar el valor, ya que un molino de laminado posee dos rodillos, obtenemos la siguiente expresión.

47


EJEMPLO 2.1, laminado plano Una tira con un ancho de 300 mm y 25 mm de espesor se alimenta a través de un molino laminador dedos rodillos de 250 mm de radio cada uno. El espesor de material de trabajo se reduce a 22 mm en un paso, a una velocidad de 5 rad/seg. El material de trabajo tiene una curva de fluencia definida por K =276 MPa y n = 0.15, se asume que el coeficiente de fricción entre los rodillos y el trabajo es 0.12.Determine si la fricción es suficiente para realizar la operación de laminado. Si es así, calcule la fuerza delaminado, el momento de torsión y la potencia en caballos de fuerza.Solución:La reducción del espesor d que se intenta en esta operación de laminado es: d =25 −22 =3mm De la ecuación 3.13 el dmax posible para el coeficiente de fricción dado es: 2

2

dmax =µ R = 0.12 *250 =3.6mm Como el adelgazamiento permisible máximo excede la reducción que se pretende, es posible la operación de laminado. Para calcular la fuerza de laminado necesitamos la longitud de contacto L y el esfuerzo de fluencia promedio

. La longitud de contacto

está dada por la ecuación 3.16.

48


En este ejemplo se puede observar que se requieren grandes fuerzas y potencias para el laminado. La inspección de las ecuaciones indica que pueden reducirse la fuerza y la potencia para laminar una tira de ancho y material dados, por cualquiera de los siguientes medios 1) uso de laminado en caliente en lugar de

laminado en frío para reducir la resistencia y el endurecimiento por deformación (K y n) del material de trabajo, 2) reducir d en cada paso, 3) utilización de un menor radio en el rodillo R; y 4) utilizando menor velocidad de laminación N para reducir la potencia. 2.3

LAMINADO DE PERFILES En el laminado de perfiles, el material de trabajo se deforma y se generar un

contorno en la sección transversal. Los productos hechos por este procedimiento

incluyen perfiles de construcción como perfiles en I, en L y canales en U; rieles para vías de ferrocarril y barras redondas y cuadradas, así como varillas. El proceso se 49

Procesos de Manufactura II realiza pasando el material de trabajo a través de rodillos que tienen impreso el reverso de la forma deseada. La mayoría de los principios que se aplican al laminado plano son aplicables al laminado de perfiles. Los rodillos formadores son más complicados; y el material inicial, de forma generalmente cuadrada, requiere una transformación gradual a través de varios rodillos para alcanzar la sección final. El diseño de la secuencia de las formas intermedias y los correspondientes rodillos sé llama diseño de pases de laminación Su meta es lograr una deformación uniforme a través de las secciones transversales de cada reducción. De otra forma ciertas porciones de trabajo se reducen más que otras, causando una mayor elongación en estas secciones. Las consecuencias de una reducción no uniforme pueden ser torceduras y agrietamiento del producto laminado. Se utilizan rodillos horizontales y verticales para lograr una reducción consistente del material de trabajo. 2.4

MOLINOS LAMINADORES Se dispone de varias configuraciones para los molinos laminadores que manejan

una variedad de aplicaciones y problemas técnicos en los procesos de laminación. El molino de laminación básico consiste en dos rodillos opuestos y se denomina molino de laminación de dos rodillos. Los rodillos en estos molinos tienen diámetros que van de 0.6 a 1.4 m. La configuración dos rodillos puede ser reversible o no reversible. En el molino no reversible los rodillos giran siempre en la misma dirección y el trabajo siempre pasa a través del mismo lado. El molino reversible permite la rotación de los rodillos en ambas direcciones, de manera que el trabajo puede pasar a través de cualquier dirección. Esto permite una serie de reducciones que se hacen a través del mismo juego de rodillos, pasando simplemente el trabajo varias veces desde direcciones opuestas. La desventaja de la configuración reversible es el momento angular significativo debido a la rotación de grandes rodillos, y los problemas técnicos asociados a la reversibilidad de la dirección.

50


Figura Nº 2.7

En la figura se ilustran algunos arreglos alternativos. En la configuración de tres rodillos, hay tres rodillos en una columna vertical y la dirección de rotación de cada rodillo permanece sin cambio. Para lograr una serie de reducciones se puede pasar el material de trabajo en cualquier dirección, ya sea elevando bajando la tira después de cada paso. El equipo en un molino de tres rodillos se vuelve más complicado debido al mecanismo elevador que se necesita para elevar o bajar el material de trabajo. Como indican las ecuaciones anteriores, se ganan algunas ventajas al reducir el diámetro de los rodillos. La longitud de contacto entre los rodillos y el trabajo se reduce con un menor radio de los rodillos y esto conduce a fuerzas más bajas, menor momento de torsión, y menor potencia. En los molinos de cuatro rodillos se usan dos rodillos de

diámetro menor para hacer contacto con el trabajo y dos rodillos detrás como respaldo, Debido a las altas fuerzas de laminado, los rodillos menores podrían desviarse elásticamente con el paso de la laminación, sí no fuera por los rodillos más grandes de respaldo que los soportan. Otra configuración que permite el uso de rodillos menores contra el trabajo es el molino en conjunto o racimo.

51


Figura Nº 2.8

52


Figura Nº 2.9 . Tipos de molinos.

Para lograr altas velocidades de rendimiento en los productos estándar se usa frecuentemente un molino de rodillos tándem. Esta configuración consiste en una serie de bastidores de rodillos como se aprecia. Aunque sólo se muestran tres bastidores en nuestro diagrama un molino laminador en tándem puede tener ocho o diez pares de rodillos, y cada uno realiza una reducción en el espesor o un refinamiento en la forma del material de trabajo que pasa entre ellos. A cada paso de laminación se incrementa la velocidad haciendo significativo el problema de sincronizar las velocidades de los

rodillos en cada etapa.

Los molinos de laminación se clasifican de acuerdo a la Fig. El molino de dos rodillos fue el primero y el más simple pero su capacidad de producción tiende a ser baja debido al tiempo que se pierde al tener que regresar el metal al frente del tren o 53

Procesos de Manufactura II molino. Obviamente esto condujo al molino reversible de dos rodillos donde el metal puede ser laminado en ambas direcciones. Este molino está limitado por la longitud que puede manejar y si la velocidad de laminado se aumenta, el resultado casi es el mismo debido al incremento del tiempo requerido para invertir la rotación en cada pasada. Lo anterior fija una longitud máxima económica de alrededor de 10 m. El siguiente obvio desarrollo fue el molino de laminación de tres rodillos, el cual tenía las ventajas de los molinos reversibles de dos rodillos. Estos molinos deben tener, por supuesto, mesas elevables en ambos lados de los rodillos. La holgura en un molino de tres rodillos no puede ser ajustada entre pasadas, por ello deben cortarse ranuras o canales en la superficie del rodillo para lograr diferentes reducciones. Los tres tipos de molinos de laminación, tienen la desventaja de que todas las etapas del laminado son efectuadas en la misma superficie del rodillo y la calidad de la superficie del producto tiende a ser baja. Los cambios de rodillo en estos molinos son relativamente frecuentes y requieren de tiempo. Es por ello que este tipo de molinos se usa para el laminado primario, donde se requiere un rápido cambio de forma, aun a expensas de la calidad de la superficie. Los molinos de cuatro rodillos son un tipo especial del molino de dos rodillos, en un intento por reducir la carga de laminado el diámetro del rodillo de trabajo se disminuye. Existe, sin embargo, el riesgo de que el rodillo se flexione, lo cual se evita soportando los pequeños rodillos de trabajo por rodillos grandes de apoyo. El diámetro de los rodillos de apoyo, no puede ser mayor que 2 a 3 veces el de los rodillos de trabajo, y como el diámetro de los rodillos de trabajo se disminuye más y más (para adecuarse a procesos con cargas de laminado excesivamente altas), el tamaño de los rodillos de apoyo debe también disminuir. Se llega a un punto en que los rodillos de apoyo en si mismos, comienzan a flexionarse y requieren ser apoyados, lo cual da lugar al diseño más avanzado (el molino múltiple).

54


La crítica principal al molino tradicional es la tendencia de los rodillos a flexionarse, debido a su diseño inherente (el principio de la viga).

Figura Nº 2.10 Metal bajo la acción e los rodillos Sendzimir propuso un diseño que eliminaba esta limitación, basado en el principio del castor, donde el rodillo de trabajo es soportado en toda su cara por un arreglo de rodillos de apoyo.

Figura Nº 2.11 . Propuesta de apoyo de Sendzimir.

La fotografía muestra un molino de este tipo que tiene rodillos de trabajo sumamente pequeños (10 mm), el cual puede usarse para procesos en los que se esperan cargas de laminado extremadamente altas, y los rodillos de trabajo pueden cambiarse con facilidad. Este principio puede aplicarse a molinos más grandes y una instalación para laminar acero inoxidable de 1600 mm de ancho está equipada con rodillos de trabajo de 85 mm de diámetro. 55


Figura Nº 2.12 . Arreglo de rodillos en un molino Sendzimir.

56

Procesos de Manufactura II Los molinos continuos de laminación pueden clasificarse de acuerdo al arreglo de los bastidores de los rodillos o pases. Estos son molinos continuos de laminación en línea, y en línea de frente con bastidores en circuito cerrado o abierto.

Figura Nº 2.13 . Clasificación de molinos de acuerdo con el arreglo de bastidores.

57

Procesos de Manufactura II Los molinos en circuito abierto o cerrado requieren que la pieza de trabajo sea doblada o girada entre cada bastidor o castillo, y por ello se usan para laminar barras, rieles o secciones. Loas molinos continuos se usan para placas, tiras u hojas. Todos ellos requieren de una gran inversión y sólo se justifican cuando se tiene garantizada una alta demanda del producto.

2.5

EFECTOS DE LA CARGA DE LAMINADO

Es esencial en los procesos de deformación de metales que la herramienta esté cargada sólo en forma elástica mientras la pieza de trabajo fluye plásticamente. Esta deformación elástica es, por lo general, tan pequeña que puede ignorarse, pero éste no es el caso en el laminado. Existen dos razones. Una es que las cargas y esfuerzos de laminado pueden ser muy grandes, especialmente cuando la pieza de trabajo es delgada y endurecida por trabajo. La otra es que la herramienta en el laminado comprime todo el molino rodillo y carcaza que tiene dimensiones medibles en metros. Esta combinación puede resultar en grandes deformaciones debidas a la deformación elástica dividida entre la extensión del bastidor del molino (resorteo del molino), y el aplastamiento y flexionamiento de los rodillos.

2.6

APLASTAMIENTO DE LOS RODILLOS

La pieza de trabajo pasando entre un par de rodillos es comprimida por el esfuerzo radial aplicado a ella, pero la reacción es transferida a la carcaza y a los rodamientos del molino, los cuales tienen una cedencia limitada debido a sus grandes dimensiones. Si se intenta comprimir materiales delgados y duros, la reacción se vuelve tan grande que los rodillos se deforman elásticamente y el radio de curvatura del arco de contacto es aumentado. La extensión de este aplastamiento depende de la magnitud del esfuerzo de reacción y de las constantes elásticas de los rodillos. 58


Figura Nº 2.14 Reacción del metal ocasionando aplastamiento en los rodillos.

2.7

FLEXIONADO O COMBADURA DE RODILLOS

Los molinos del tipo de cuatro rodillos, agrupado o Sendzimir han sido desarrollados con intención de eliminar la flexión de los rodillos, ya que cualquier deflexión da lugar a que el metal producido sea más grueso en su centro que en sus orillas. Mientras que esto sea posible, tal forma resultará en un producto fuera de tolerancia de calibre, el problema mayor es la pérdida de forma. El metal se alarga más en sus orillas que en su línea de centro, resultando en diferentes longitudes a través del ancho.

Figura Nº 2.15

Flexión del rodillo 59


Esto sólo puede ser acomodado por plegado o arrugado con la consecuente pérdida de planicidad. Una vez que la tira de metal ha perdido su forma de esta manera, nunca puede recuperarla y debe ser desechada.

Los intentos para evitar o limitar el flexionado de los rodillos involucran entre otros la disminución de la carga de laminado. Esto ha dado lugar a rodillos de trabajo pequeños y a molinos de cuatro rodillos. Pero aun con este tipo de molinos ocurre cierta flexión y ésta es arreglada abombando los rodillos, es decir, dándoles forma de barril. La carga de laminado todavía flexiona los rodillos, pero el perfil adyacente al material que se está laminando está recto. Debe notarse, sin embargo, que sólo existe un valor de la carta de laminado que produce este perfil plano.

Figura Nº 2.16

Perfil del rodillo superior y efecto de la carga de laminado.

Con el laminado continuo de varios bastidores, la tensión entre cada bastidor se ajusta para mantener la carga de laminado en un valor constante y así lograr una superficie plana. Este es un aspecto importante del control de la forma en laminado de tiras. Un desarrollo reciente ha sido la introducción de gatos hidráulicos en los cuellos de los rodillos, de este modo se altera la combadura de los rodillos mediante una flexión 60

Procesos de Manufactura II a los mismos. A la fecha los resultados indican que este método tendrá mucho éxito en el control de la forma de las tiras. Todos los métodos descritos hasta ahora involucran el laminado continuo donde puede emplearse tensión entre bastidores o al principio o final del molino continuo. En el laminado de hojas individuales esta técnica para controlar la carga de laminado no puede usarse y, por tanto, el problema de controlar la forma se ataca de otra manera. Cook y Parker, en 1953 proyectaron una técnica para calcular secuencias de laminado racionales, es decir, una secuencia de pasadas en los rodillos que para un metal dado, producirían la misma carga de laminado en cada pasada.

2.8

RESORTEO DEL MOLINO O DISTORSIÓN PLÁSTICA A la reacción de la carga de laminado se le llama fuerza de separación de

rodillos y si éstos no estuvieran sujetos en el cabezal del molino, tenderían a separarse y la reducción del metal no sería posible. El rodillo superior empuja hacia arriba la parte superior del cabezal, mientras que el rodillo inferior empuja hacia abajo la base del mismo cabezal. En tal virtud, el cabezal está sujeto a esfuerzos de tensión, los cuales obviamente son menores que el esfuerzo de cedencia del acero fundido conque normalmente se construyen, pero existe una deformación elástica que puede ser medida. Su magnitud depende de a) la carga de laminado, b) la sección transversal del cabezal, y c) de la altura del cabezal. Si la extensión de esta deformación es pequeña, se dice que el molino es rígido o duro, mientras que si es grande, se dice que el molino es suave o elástico. Esta deformación del cabezal obviamente afectará el calibre del metal producido. Por ejemplo, si la holgura del molino se fija a 3 mm antes de alimentar el material a ser laminado, la entrada del metal provee la fuerza que origina que el cabezal se estire y que la holgura se incremente a digamos, 3.05 mm. El metal producido será de 3.05 mm de espesor en lugar de 3.00 mm. Al ajuste de los rodillos antes de que entre el metal se le llama holgura pasiva de los rodillos, mientras que a la holgura real producida cuando pasa el metal a través de ella, se le llama holgura activa de los rodillos. Es importante conocer la relación entre las holguras pasiva y activa. Esta relación se denomina módulo del molino. 61


2.9

CONTROL AUTOMATICO DEL CALIBRE

El calibre de una pieza laminada de metal puede variar a todo su ancho o a toda su longitud. Normalmente la variación a través del ancho está asociada con el control de la forma. La variación a través de la longitud se asocia con el control de calibre, el cual se ha transformado en un factor de primera importancia en el laminado moderno de tiras. Las demandas de los compradores de tolerancia cada vez más cerrada en calibre, coincide con las siempre en aumento velocidades del molino, y para evitar la producción de grandes cantidades de material "fuera de calibre", los molinos de tiras modernos invariablemente incluyen un control automático de calibre. Este equipo corrige el molino siempre que se está produciendo material "fuera de calibre". Puesto que las correcciones no pueden aplicarse hasta que el material fuera de calibre ha pasado a través de dispositivos sensores, una proporción de tal material está siempre presente en el producto. Este es un sistema correctivo; un sistema mucho mejor sería uno basado en la anticipación, colocando sensores antes del molino y usando las señales para variar la holgura de tal manera que se produjera material "en calibre" todo el tiempo. En la práctica no ha sido posible implementar tal sistema, ya que todos los parámetros del metal que pueden afectar la holgura activa de los rodillos, deben ser continuamente monitoreados e interpretados. Estos incluyen: esfuerzo de cedencia, calibre a la entrada, ancho, condición de la superficie, y lograr esto en tiras que se

mueven a velocidades de hasta 50 m/s es impracticable por el momento. Debido a lo anterior el sistema correctivo aún se usa, con su desventaja inherente de producir siempre algo de material fuera de calibre, pero tiene la ventaja práctica de que solamente un parámetro, es decir, el calibre de salida necesita ser monitoreado.

Los primeros sistemas de calibre automático usaban radiación y y para medir el espesor. Estos eran colocados a una distancia de la salida del molino y los valores instantáneos del calibre eran alimentados a un dispositivo el cual ajustaba los tornillos del molino, corrigiéndose de este modo la holgura de los rodillos. Esta técnica, sin embargo, padecía de una limitación llamada Velocidad - Retardación. 62


El calibre es monitoreado en B el cual en este caso está a una distancia de la salida del molino A. Si el material en B es muy grueso, la señal origina que el sistema de control empiece a cerrar la holgura. Cuando la holgura está en el valor correcto, la señal desde B es todavía de producto grueso y el cierre continuará "sobrepasando" el ajuste correcto. Conforme el material delgado pasa desde A a B, el proceso comienza a invertirse y ocasiona un "seguimiento" en el sistema de control. Esto puede subsanarse insertando un dispositivo electrónico de retardamiento de manera que el ajuste del tornillo se efectúe en bloques de tiempo en lugar de continuamente.

Figura Nº 2.17

Esquema general del control automático del calibre.

Aun con esta técnica, grandes cantidades de material fuera de calibre pueden producirse. Mientras más cerca esté el monitor de la holgura de los rodillos, menor será el efecto Velocidad - Retardación, y en los molinos modernos el fenómeno ha sido eliminado usando cambios en las dimensiones del cabezal, las cuales están

relacionadas con los cambios en la holgura de los rodillos. La Asociación Británica de Investigación del Hierro y el Acero fue pionera en el uso de medidores de deformación 63

Procesos de Manufactura II por resistencia para la medición de la fuerza de separación de rodillos. Las señales obtenidas de tales dispositivos se han usado para activar arietes hidráulicos o motores para bajar los tornillos para ajustar la holgura. Estas técnicas son llamadas métodos de control S o SD. En el método T la tensión del enrollador se mide y su ajuste se usa para controlar la forma o el calibre. CONTROL AUTOMÁTICO DE CALIBRE - MÉTODO T _(CA C - T)7 Si uno de los parámetros de las tiras que entran a un molino aumenta, la carga para llevar a cabo la deformación aumenta. Esto a su vez, causará un incremento en la fuerza de separación de los rodillos y en la holgura activa de los mismos. La tira que sale del molino en consecuencia será más gruesa y posiblemente "fuera de calibre". La corrección puede lograrse si se reduce la carga en los rodillos a su valor original, ya que esto origina que la holgura activa de los rodillos retorne a su magnitud anterior. Una manera de lograr esto es alterando la tensión trasera o de entrada sobre la tira -si ésta se incrementa, como se explicó con anterioridad, el esfuerzo requerido para deformar el metal disminuirá y, por tanto, la carga de laminado también. Este es el principio del CAC-T. La carga de laminado es monitoreado continuamente por medidores de deformación, ya sean colocados en el cabezal del molino o entre los elevadores de tornillos y los rodamientos de los rodillos. Las variaciones en la fuerza de separación de los rodillos y, por tanto, en la holgura activa de los rodillos, son instantáneamente detectadas y las correcciones se aplican rápidamente en respuesta a señales eléctricas. Este método tiene varias desventajas. No puede usarse en laminado en caliente e impide el uso de tensión entre bastidores como medio para el control de la forma, Los molinos de laminación modernos no usan CAC-T y utilizan variaciones de la tensión entre bastidores para el control de la forma. CONTROL AUTOMÁTICO DE CALIBRE-MÉTODO SD (CAC-SD)8 El principio de este método se resume en la Fig 2.18. Con material con calibre a la entrada GO, y el molino ajustado a una holgura pasiva G, una carga de laminado L, se 64

Procesos de Manufactura II genera para dar un calibre de salida G.. Si el calibre de entrada se incrementa a G,,,, la holgura activa de los rodillos aumenta a G,', y probablemente se producirán tiras fuera de calibre, debido al hecho de que la carga de laminado ha aumentado a L2. Para corregir esto la holgura pasiva de los rodillos debe cerrarse a G,, incrementándose con esto la carga de laminado a 1-3. (Nótese la diferencia entre el método CAC-T y el CACSI) en que en el primero la corrección se logra reduciendo la carga de laminado, mientras que en el segundo la carga de laminado es aumentada.)

Figura Nº 2.18

Control automático de calibre - método sd (cac - sd)

CONTROL AUTOMÁTICO DE CALIBRE-MÉTODO S (CAC-S)9 Este es un intento para solucionar las dos mayores desventajas del método CAC-SD; el desgaste que ocurre en los tornillos y unidades del molino y la alta inercia de los grandes y pesados tornillos del molino. La técnica fue descrita por Sims y Slackg y está basada exactamente en los mismos principios del método CAC-SD, excepto que la holgura pasiva de los rodillos se controla por medio de arietes hidráulicos, los cuales se colocan alrededor de los tornillos y tienen poca o ninguna inercia y sin problemas de desgaste. 65


2.10

OTRAS OPERACIONES DE LAMINADO Algunos otros procesos, de deformación volumétrica usan rodillos para formar las

partes de trabajo, estas operaciones incluyen laminado de anillos, laminado de cuerdas, laminado de engranes y perforado de rodillos. Laminado de anillos El laminado de anillos es un proceso de deformación que lamina las paredes gruesas de un anillo para obtener anillos de paredes más delgadas, pero de un diámetro mayor. La figura ilustra el proceso antes y después. Conforme el anillo de paredes gruesas se comprime, el material se alarga, ocasionando que el diámetro del anillo se agrande. El laminado de anillos se aplica usualmente en procesos de trabajo en caliente para anillos grandes y en procesos de trabajo en frío para anillos pequeños.

Figura Nº 2.19

66

Procesos de Manufactura II Las aplicaciones de laminado de anillos incluyen collares para rodamientos de bolas y rodillos, llantas de acero para ruedas de ferrocarril y cinchos para tubos, recipientes a presión y máquinas rotatorias. Las paredes de los anillos no se limitan a secciones rectangulares, el proceso permite la laminación de formas más complejas. Las ventajas del laminado de anillos sobre otros métodos para fabricar las mismas partes son: el ahorro de materias primas, la orientación ideal de los granos para la aplicación y el endurecimiento a través del trabajo en frío. Laminado de cuerdas El laminado de cuerdas se usa para formar cuerdas en partes cilíndricas, mediante su laminación entre dos dados. Es el proceso comercial más importante para producción masiva de componentes con cuerdas externas (pernos y tornillos, por ejemplo). El proceso competidor es el maquinado de cuerdas. La mayoría de las operaciones de laminación de cuerdas se realizan por trabajo en frío utilizando máquinas laminadoras de cuerdas. Estas máquinas están equipadas con dados especiales que determinan el tamaño y forma de la cuerda, los dados son de dos tipos: 1) dados planos que se mueven alternativamente entre sí, dados redondos, que giran relativamente entre si para lograr la acción de laminado Las velocidades de producción en el laminado de cuerdas pueden ser muy altas, su capacidad alcanza hasta 8 partes por segundo para pernos y tornillos pequeños. Pero la velocidad no es la única ventaja con respecto al maquinado, existen otras como son: 1) mejor utilización del material, 2) cuerdas más fuertes debido al endurecimiento por trabajo, 3) superficies más lisas, 4) mejor resistencia a la fatiga debido a los esfuerzos por compresión que se introducen durante el laminado.

67


Figura Nº 2.20 Laminado de engranes Éste es un proceso de formado en frío que produce ciertos engranes. La industria automotriz es un importante usuario de estos productos. La instalación para el laminado de engranes es similar al laminado de cuerdas, excepto que las características de deformación de los cilindros o discos se orientan paralelamente a su eje (o a un ángulo en el caso de engranes helicoidales) en lugar de la espiral del laminado de cuerdas. Las ventajas del laminado de engranes comparadas con el maquinado -son similares a las ventajas en el laminado de cuerdas: altas velocidades de producción, mejor resistencia a la fatiga y menos desperdicio de material

68


Figura Nº 2.21

Perforado de rodillos Es un proceso especializado de trabajo en caliente para hacer tubos sin costura de paredes gruesas. Utiliza dos rodillos opuestos y por tanto se agrupa entre los procesos de laminado. El proceso se basa en el principio que al comprimir un sólido cilíndrico sobre su circunferencia, se desarrollan altos esfuerzos de tensión en su centro. Si la compresión es lo suficientemente alta se forma una grieta 69

Procesos de Manufactura II interna. Este principio se aprovecha en el perforado de rodillos mediante la disposición que se muestra en la figura. Los esfuerzos de compresión se aplican sobre el tocho cilíndrico por dos rodillos, cuyos ejes se orientan en pequeños ángulos (alrededor de con respecto al eje del tocho, de esta manera la rotación tiende a jalar el tocho a través de los rodillos. Un mandril se encarga de controlar el tamaño y acabado de la perforación creada por la acción. Se usan los términos perforado rotatorio de tubos y proceso Mannesmann para esta operación en la fabricación de tubos.

Defectos del Laminado

Figura Nº 2.22 Aquí algunos de los defectos mas conocidos

70

Procesos de Manufactura II Tensiones residuales

Figura Nº 2.23 Tensiones Residuales inducidas por el Laminado Ventajas del laminado en caliente

Figura Nº 2.24 Deformación del grano en el Laminado

71

Procesos de Manufactura II Laminado de Perfiles

Figura Nº 2.25 Diferentes Secciones o Perfiles de Laminado

Este es un proceso de compresión indirecta. Normalmente la única fuerza o esfuerzo aplicado es la presión radial de los rodillos laminadores. Esto deforma el metal y lo jala a través de la holgura de los rodillos. El proceso puede ser comparable a la compresión en el forjado pero difiere en dos aspectos; la compresión se efectúa entre un par de platinas con diferentes inclinaciones entre una y otra, y que el proceso es continuo.

72


2.11

LA TECNOLOGÍA DE LA FABRICACIÓN DE CILINDROS DE LAMINACIÓN

POR DOBLE COLADA O COLADA COMPUESTA La necesidad del mercado mundial de productos laminados de alta calidad, como la alta productividad del proceso de laminación, requiere incrementar los niveles de performance de los cilindros laminadores. El cilindro laminador es la principal herramienta o matriz para transformar los metales y sus aleaciones en el proceso de laminación, los cuales pueden ser transformados en caliente o en frío en productos tales como barras, cuadrados, perfiles, planchas, etc. La historia de su fabricación está ligada a la evolución de los métodos usados para la elaboración del hierro, acero y otros metales no ferrosos. En las últimas décadas se han producido varios avances tecnológicos en la fabricación de cilindros laminadores, entre los que se puede distinguir el de doble colada o colada compuesta. Palabras clave: Laminación, siderurgia, conformado de metales. INTRODUCCIÓN Los cilindros de laminación son las matrices o herramientas destinadas a reducir las secciones de metales plásticos, cambiando su forma o am-bas cosas al mismo tiempo. Las propiedades de plasticidad del metal en algunos casos son incrementadas mediante el calentamiento del metal que va a ser deformado. Los cilindros de laminación están destinados a producir diferentes tipos de formas y productos tales como cuadrados, redondos, planchas, perfiles, rieles, etc.

PROPIEDADES DE LOS CILINDROS

Mientras cumplen sus funciones, los cilindros están expuestos a variados esfuerzos de flexión, desgaste y dilatación por efecto de la temperatura, etc. Estas solicitaciones serán distintas según la función a cumplir y en algunos casos unas tomarán más importancia que las otras, factores que se deberán tener en cuenta en la fabricación del cilindro adecuado para cada trabajo.

Los cilindros de laminación deben cumplir con condiciones especialmente 73

Procesos de Manufactura II rigurosas. Las propiedades más importantes son: -Resistencia a la rotura -Resistencia al desgaste -Buen acabado superficial -Resistencia a la formación de grietas de calor. -Resistencia a la formación de cascarilla (óxidos) Las partes fundamentales de un cilindro de la laminación son: El cuerpo del cilindro, la parte periférica del cuerpo, o sea, la superficie de contacto, llamada tabla. El cuerpo y la tabla, que constituyen la misma zona, es la de mayor diámetro y está destinada a efectuar la deformación del metal o laminado. El cilindro está apoyado en los cuellos, ubicados lo más cerca posible al cuerpo. A continuación de los cuellos, están los muñones de diferentes formas que permiten el acoplamiento al mando que imprime la rotación a los cilindros (Fig. 1). Tipos de cilindros Sintetizando, se pueden agrupar en tres tipos: -Cilindros de fierro fundido -Cilindros de acero fundido -Cilindros de acero forjado El clásico porcentaje del contenido de carbón no se debe tomar en cuenta para la diferenciación del hierro y el acero fundido; es el estado en que se encuentra el carbono; es así cómo se puede encontrar acero hasta con contenidos de 2.6% de carbono. Fabricación de cilindros de laminación por doble colada En las últimas décadas se han producido numerosos adelantos en la tecnología de la fabricación de los cilindros de laminación con miras a satisfacer las exigencias de los usuarios con cilindros de excelente calidad. En este aspecto se han desarrollado técnicas tales como: 1

Doble colada para cilindro de fierro y acero fun-dido. 74

Procesos de Manufactura II 2

Tratamiento térmico diferencial para cilindros de acero fundido.

3

Tratamiento térmico diferencial para camisas de acero forjado.

4

Endurecimiento progresivo por inducción para cilindros forjados.

5

Moldeo por rotación para cilindros de fierro fun-dido y camisas de acero fundido.

6

Procedimiento de electroescoria. La tecnología de doble colada es una de las que más se han desarrollado, ya que

dos microestructuras son mejor que una. En el cilindro de doble colada se consigue una interior dúctil de núcleo resistente a la fatiga y una exterior con una superficie excepcionalmente resistente al desgaste con una microestructura diferente de la interior. La fabricación de estos tipos de cilindros se efectúa en moldes que tienen coquillas (molde de hierro) en todo el largo de la superficie de trabajo del cilindro (tabla). El resto del molde es de arena. Se puede ver la forma del molde de colada y el procedimiento para la llamada "doble colada", que es el método utilizado para la fabricación de cilindros que tienen una capa superficial dura y resistente al desgaste (70/90 shore "C"). Mientras que el núcleo, los cuellos y tréboles son de material tenaz (40/50 shore "C"). Los moldes se colocan verticalmente en fosas de colada abiertas en el suelo del taller de fundición. El metal que se cuela primero por el bebedero es el resistente al desgaste, que desemboca por la parte inferior del molde hasta inmediatamente por encima del borde superior de la tabla del cilindro. El metal se solidifica rápidamente en contacto con las superficies frías de la coquilla, pero permanece en estado fluido en el núcleo y en los cuellos del cilindro. Después de un cierto lapso se vierte en el molde el metal dúctil que ya ha sido elaborado previamente, que expulsa al primer metal y se mezcla. El metal resistente al desgaste sale por el orificio de rebose, por encima del cilindro. El primer metal (resistente al desgaste), que ya se ha solidificado junto a las coquillas, permanece sin moverse, en estado sólido . Cuando ya ha sido expulsada la cantidad conveniente del primer metal, se taponea el orificio de rebose y se termina de llenar el molde, por su parte superior, con el 75

Procesos de Manufactura II segundo tipo de metal. La mayoría de los fabricantes de cilindros de doble colada han encontrado que los costos de fundición en la producción de estos cilindros son más elevados. Por esta razón, el precio de los cilindros de doble colada es más alto que el de los mismos cilindros elaborados por vaciado simple. Desde el punto de vista de la calidad, los cilindros de doble colada dan resultados de un rendimiento mejor, por lo menos en un 50%, que los cilindros del tipo convencional. CONCLUSIONES En la fabricación de cilindros de laminación, se vienen investigando y desarrollando técnicas que permiten mejorar la calidad para ofrecer cilindros con propiedades superiores tales como: •

Buena penetración de la dureza para una mayor duración y resistencia de desgaste.

•

Buena resistencia a la fractura para resistir las quebraduras. -Resistencia al descostrado.

•

Alta resistencia a la fatiga.

•

Resistencia al impacto térmico y a las grietas térmicas.

•

Buena composición química para la calidad de la superficie. Las propiedades señaladas dependen de complejos procedimientos de fabricación

que producen en los cilindros microestructuras metalúrgicas deseadas, entre ellas las siguientes: Grano fino para la resistencia y tenacidad. -Matensita y bainita revenidas para un

mejor desgaste, resistencia y dureza. -Cementita y ferrita esperoidizadas para una resistencia máxima a la fractura. -Cantidades mínimas de austenita remanente, para la resistencia al impacto térmico y al descostrado. Los fabricantes de cilindros han perfeccionado diversos procedimientos complejos para la elaboración de cilindros de buena calidad. Dichos procedimientos han elevado

al doble la duración de cilindros que se fabrican con los sistemas tradicionales. Los grandes progresos alcanzados en la fabricación de cilindros de laminación no serán realizados sino mediante una estrecha colaboración entre la investigación, los 76

Procesos de Manufactura II fabricantes y el usuario.

77

na


H

or

CAPITULO III

FORJADO

Ac

3.1

os

ta

FORJADO

El forjado es un proceso de deformación en el cual el material se comprime entre los

D av id

dados, usando impacto o presión gradual para formar la parte. Es la operación más antigua para formado de metales y se remonta quizá al año 5000 a.C. En la actualidad el forjado es un proceso industrial importante, mediante el cual se hacen una variedad de componentes de alta resistencia para automóviles, vehículos aeroespaciales y otras aplicaciones, la industria del acero y de otros metales básicos usa el forjado para fijar la forma básica de grandes componentes que luego se maquinan para lograr su forma final y dimensiones

g

definitivas.

Una manera de clasificar las operaciones de forja es mediante la temperatura de

In

trabajo. La mayoría de las operaciones de forja se realizan en caliente (por arriba y por debajo de la temperatura de recristalización), dada la demanda de deformación que el proceso requiere y la necesidad de reducir la resistencia e incrementar la ductilidad del metal de trabajo, sin embargo, el forjado en frío también es muy común para ciertos 78

Procesos de Manufactura II productos. La ventaja del forjado en frío es la mayor resistencia que adquiere el material, que resulta del endurecimiento por deformación.

na

El forjado fue el primero de los procesos del tipo de compresión indirecta y es

probablemente el método más antiguo de formado de metales. Involucra la aplicación de esfuerzos de compresión que exceden el esfuerzo de fluencia del metal. El esfuerzo puede

or

ser aplicado rápida o lentamente. El proceso puede realizarse en frío o en caliente, la selección de temperatura es decidida por factores como la facilidad y costo que involucre la

H

deformación, la producción de piezas con ciertas características mecánicas o de acabado

ta

superficial es un factor de menor importancia.

os

Proceso de formado que comprime el material entre dos dados, para que tome su forma. Aplicación de la fuerza por impacto o presión gradual. Generalmente en caliente

Ac

1. Marinete: por impacto.

2. Prensa de forja: presión gradual.

En el forjado se aplica la presión por impacto o en forma gradual. La diferencia

D av id

depende más del tipo de equipo que de las diferencias en la tecnología de los procesos. Una máquina de forjado que aplica cargas de impacto se llama martinete de forja, mientras la que aplica presión gradual se llama prensa de forjado. Otra diferencia, entre las operaciones de forjado es el grado en que los dados

restringen el flujo del metal de trabajo. Atendiendo a esta clasificación, hay tres tipos de operaciones de forjado: a) forjado en dado abierto, b) forjado en dado impresor y c) forjado

In

g

sin rebaba.

79

Fig Forja de matriz cerrada

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


80

or

na


D av id

Ac

os

ta

H

Figura Forja de matriz abierta

Figura Nº 3.1

FORJADO EN DADO ABIERTO

In

g

3.2

El caso más simple de forjado consiste en comprimir una parte de sección cilíndrica

entre dos dados planos, muy semejante a un ensayo de la compresión. Esta operación de forjado se conoce como recalcado o forjado para recalcar, reduce la altura de material de trabajo e incrementa su diámetro.

81

H

or

na


os

ta

Figura Nº 3.2

Análisis del Forjado en Dado Abierto Si el forjado en dado abierto se lleva a cabo bajo condiciones ideales, sin fricción entre el material de trabajo y la superficie del dado, ocurre

Ac

una deformación homogénea y el flujo radial de material es uniforme a lo largo de su altura como se representa en la figura 3.2. Bajo condiciones ideales, el esfuerzo real que

D av id

experimenta el material durante el proceso, se puede determinar por:

g

Se puede estimar la fuerza para ejecutar el recalcado. Se puede obtener la fuerza

In

requerida para continuar la compresión a una altura dada h durante el proceso, multiplicando el área correspondiente de la sección transversal por el esfuerzo de fluencia:

82

or

na


El área A se incrementa continuamente al reducirse la altura h durante la operación. El

H

esfuerzo de fluencia Yf se incrementa también como resultado del endurecimiento por trabajo, excepto cuando el metal es perfectamente plástico (trabajo en caliente). En este

ta

caso, el exponente de endurecimiento por deformación n=0, y el esfuerzo de fluencia Yf iguala al esfuerzo de fluencia del metal Y. La fuerza alcanza un valor máximo al final de la

os

carrera de forjado, donde el área y el esfuerzo de fluencia llegan a su valor más alto.

Una operación real de recalcado no ocurre exactamente como se muestra en la figura

Ac

3.2, debido a que la fricción en la superficie de los dados se opone al flujo de metal. Esto crea un efecto de abultamiento en forma de barril, llamado abarrilamiento, que se muestra en la figura 3.3. Cuando se realiza un trabajo en caliente con dados fríos, el abarrilamiento

D av id

es más pronunciado. Esto se debe a: 1) un coeficiente de fricción más alto, típico del trabajo en caliente y 2) la transferencia de calor en la superficie del dado y sus cercanías, lo cual enfría el metal y aumenta su resistencia a la deformación. El metal más caliente se encuentra en medio de la parte y fluye más fácilmente que el metal más frío de los extremos. El efecto se acentúa al aumentar la relación entre el diámetro y la altura de la

In

g

parte, debido a la mayor área de contacto en la interfase dado -material de trabajo.

83

H

or

na


os

ta

Figura Nº 3.3

Todos estos factores originan que la fuerza de recalcado sea más grande que la

Ac

pronosticada. Podernos aplicar un factor de forma a la ecuación para aproximar los efectos

In

g

D av id

de la fricción y la relación entre el diámetro y la altura:

EJEMPLO: 3.1 Forjado en dado abierto Una parte cilíndrica se sujeta a una operación de recalcado en forja. La pieza inicial tiene 3.0 pulg dealtura y 2.0 pulg de diámetro. En la

84

Procesos de Manufactura II operación, su altura se reduce hasta 1.5 pulg. El material de trabajotiene una curva de 2

fluencia definida por K = 50000 lb/pulg y n = 0.17. Asuma un coeficiente de fricción de 0.1. Determine la fuerza al empezar el proceso, a las alturas intermedias 2.5 pulg, 2 pulg, y a la

na

altura final 1.5 pulg.

or

Solución:

ta

H

Volumen de la pieza es:

os

En el momento en que hace contacto con el dado superior, h = 3.0 y la fuerza F = 0. Al principio de la fluencia, h es ligeramente menor que 3.0 pulg, y asumimos que la

Ac

deformación = 0.002, en la cual el esfuerzo de fluencia es:

2

El diámetro es todavía aproximadamente D = 2.0 pulg, y el área A = 3.142 pulg . Para

D av id

estas condiciones el factor de ajuste Kf se calcula como

In

g

La fuerza de forjado es

85


os

ta

H

or

Si suponemos un volumen constante y despreciamos el abarrilamiento,

na

Para h = 2.5 pulg

De igual manera, para h = 2.0 pulg, F = 211894 lb; y a una h=1.5pulg, F = 317 500 lb. La

D av id

Ac

curva carga versus carrera de la figura 3.4 se construyó con los valores de este ejemplo.

In

g

Figura Nº 3.4

Práctica del forjado en dado abierto El forjado caliente, en dado abierto es un

proceso industrial importante. Las formas generadas por operaciones en dado abierto son simples. Los dados en algunas aplicaciones tienen superficies con ligeros contornos que 86

Procesos de Manufactura II ayudan a formar el material de trabajo. Éste, además, debe manipularse frecuentemente (girándolo en cada paso, por ejemplo) para efectuar los cambios de forma requeridos. La habilidad del operador es un factor importante para el éxito de estas operaciones. Un

na

ejemplo de forjado en dado abierto en la industria del acero es el formado de grandes lingotes cuadrados para convertirlos en secciones redondas. Las operaciones de forja en dado abierto producen formas rudimentarias que necesitan operaciones posteriores para

or

refinar las partes a sus dimensiones y geometría final. Una contribución importante del forjado en caliente en dado abierto es la creación de un flujo de granos y de una estructura

H

metalúrgica favorable en el metal.

ta

El forjado con dado abierto puede realizarse con dados convexos, con dados cóncavos y por secciones, como se ilustran en la figura 3.5. El forjado con dados convexos es una

os

operación de forja que se utiliza para reducir la sección transversal y redistribuir el metal en una parte de trabajo, como preparación para operaciones posteriores de formado con forja. superficies cóncavas.

Ac

El forjado con dados cóncavos es similar al anterior, excepto que los dados tienen

Una operación de forjado por secciones consiste en una secuencia de compresiones a

D av id

lo largo de una pieza de trabajo para reducir su sección transversal e incrementar su longitud. Se usa en la industria siderúrgica para producir lupias y planchas a partir de lingotes fundidos, en la operación se utilizan dados abiertos con superficies planas o con un

In

g

ligero contorno. Con frecuencia se usa el término forjado incremental para este proceso.

87

D av id

Figura Nº 3.5

Ac

os

ta

H

or

na


3.3

FORJADO CON DADO IMPRESOR

Llamado algunas veces forjado en dado cerrado, se realiza con dados que tienen la

forma inversa a la requerida para la parte. Este proceso se ilustra en una secuencia de tres

In

g

pasos en la figura 3.6.

88

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


In

g

Figura Nº 3.6

89

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


In

Figura Nº 3.7

Ejemplos de piezas forjadas

90


La pieza de trabajo inicial se muestra como una parte cilíndrica. Al cerrarse el dado y

na

llegar a su posición final, el metal fluye más allá de la cavidad del dado y forma una rebaba en la pequeña abertura entre las placas del dado. Aunque la rebaba se recorta

posteriormente, tiene realmente una función importante en el forjado por impresión, ya que

or

cuando ésta empieza a formarse, la fricción se opone a que el metal siga fluyendo hacia la

abertura, y de esta manera fuerza al material de trabajo a permanecer en la cavidad, En el

H

formado en caliente, la restricción del flujo de metal es mayor debido a que la rebaba delgada se enfría rápidamente contra las placas del dado, incrementando la resistencia a la

ta

deformación. La restricción del flujo de metal en la abertura hace que las presiones de compresión se incrementen significativamente, forzando al material a llenar los detalles

os

algunas veces intrincados de la cavidad del dado, con esto se obtiene un producto de alta

Ac

calidad.

Con frecuencia se requieren varios pasos en el forjado con dado impresor para transformar la forma inicial en la forma final deseada, como se muestra en la figura 3.7. Para cada paso se necesitan cavidades separadas. Los pasos iniciales se diseñan para

D av id

redistribuir el metal en la parte de trabajo y conseguir así una deformación uniforme y la estructura metálica requerida para las etapas siguientes, Los últimos pasos le dan el acabado final a la pieza. Además, cuando se usan martinetes; se pueden requerir varios golpes de martillo para cada paso. Cuando el forjado con martinete se hace a mano, como sucede a menudo, se requiere considerable habilidad del operador para lograr resultados

In

g

consistentes en condiciones adversas.

91

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


Figura Nº 3.8

Fuerza en el Forjado en Dado Impresor

Debido a la formación de rebaba en el forjado con dado impresor y a las formas más

complejas de las partes hechas con estos dados, las fuerzas en este proceso son considerablemente más grandes y más difíciles de analizar a diferencia del forjado con dado abierto. Con frecuencia se usan fórmulas y factores de diseño relativamente simples para estimar las fuerzas en el forjado con dado impresor. La fórmula de la fuerza es la misma de

In

g

la ecuación para el forjado en dado abierto, pero su interpretación es ligeramente diferente:

F = K fYf A

Donde

92

Procesos de Manufactura II F = fuerza máxima en la operación, (N);

2

na

A = área proyectada de la parte, incluyendo la rebaba, (mm );

or

Yf = esfuerzo de fluencia del materia (MPa);Kf = factor de forma del forjado

En el forjado en caliente, el valor apropiado de Yf es la resistencia a la fluencia del

H

metal a temperatura elevada. En otros casos, la selección del valor apropiado del esfuerzo de fluencia es difícil porque para las formas complejas el esfuerzo varía a través de la pieza

ta

de trabajo. Kf es un factor con el que se intenta tomar en cuenta el incremento de la fuerza requerida para forjar formas complejas, La tabla 3.3 muestra la escala de valores de Kf.

os

para diferentes formas de la parte. Obviamente, el problema al especificar el valor apropiado

In

g

D av id

Ac

de Kf para una forma dada de trabajo, limita la precisión de la estimación.

La ecuación se aplica para el cálculo de la fuerza máxima durante la operación, ya

que ésta determinará la capacidad requerida en la prensa o martinete que se usara en la operación. La fuerza máxima se alcanza al final de la carrera o golpe de forjado donde el

93

Procesos de Manufactura II área proyectada es más grande y la fricción es máxima.

na

El forjado con dado impresor no tiene tolerancias estrechas de trabajo y frecuentemente se requiere el maquinado para lograr la precisión necesaria. El proceso de forjado genera la geometría básica de la parte y el maquinado realiza los acabados de

or

precisión que se requieren en algunas porciones de la parte (por ejemplo, perforaciones,

cuerdas y superficies que deben coincidir con otros componentes). Las ventajas del forjado

H

sobre el maquinado completo de la parte son: velocidad de producción más alta, conservación del metal, mayor resistencia y orientación más favorable de los granos de metal. En la figura 3.9 se ilustra una comparación del flujo granular en el forjado y en el

D av id

Ac

os

ta

maquinado.

Figura Nº 3.9

Los mejoramientos de la tecnología del forjado con dado impresor han tenido como

resultado la capacidad de producir forjados con secciones más delgadas, formas más

g

complejas, reducción drástica de los requerimientos de ahusamiento en los dados,

In

tolerancias más estrechas y la virtual eliminación de concesiones al maquinado. Los procesos de forjado con estas características se conocen como forjado de precisión.

94

ta

H

or

na


Ac

os

Figura Nº 3.10

D av id

Los metales más comunes que se usan en el forjado de precisión son el aluminio y el

titanio. En la figura 3.10 se muestra una comparación del forjado de precisión y el forjado convencional con dado impresor. Nótese que el forjado de precisión en este ejemplo no elimina las rebabas, aunque si las reduce. Algunas operaciones de forjado de precisión se realizan sin producir rebaba. El forjado de precisión se clasifica propiamente como un proceso de forma neta o casi neta, dependiendo de la necesidad del maquinado para

g

acabar la forma de la parte.

In

3.4

FORJADO SIN REBABA

En la terminología industrial, el forjado con dado impresor se llama algunas veces

forjado en dado cerrado. Sin embargo, hay una distinción técnica entre forjado con dado

95

Procesos de Manufactura II impresor y forjado con dado cerrado real. La distinción es que en el forjado con dado cerrado, la pieza de trabajo original queda contenida completamente dentro de la cavidad del dado durante la compresión y no se forma rebaba. La secuencia del proceso se ilustra

na

en la figura 3.11. Para identificar este proceso es apropiado el término forjado sin rebaba.

El forjado sin rebaba impone ciertos requerimiento sobre el control del proceso, más

exigentes que el forjado con dado impresor. El parámetro más importante es que el volumen

or

del material de trabajo debe igualar al volumen de la cavidad del dado dentro de muy

estrechas tolerancias. Si la pieza de trabajo inicial es demasiado grande, la presión excesiva

H

puede causar daño al dado o a la prensa. Si la pieza de trabajo es demasiado pequeña, no se llenará la cavidad. Debido a este requerimiento especial, el proceso es más adecuado en

ta

la manufactura de partes geométricas simples y simétricas, y para trabajar metales como el aluminio, el magnesio o sus aleaciones. El forjado sin rebaba se clasifica frecuentemente

In

g

D av id

Ac

os

como un proceso de forjado de precisión .

Figura Nº 3.11

96

Procesos de Manufactura II Las fuerzas en el forjado sin rebaba alcanzan valores comparables a las del forjado con dado impresor. Estas fuerzas se pueden, estimar usando los mismos métodos para el

D av id

Figura Nº 3.12

Ac

os

ta

H

or

na

forjado con dado impresor.

El acuñado es una aplicación especial del forjado sin rebaba mediante el cual se

imprimen los finos detalles del dado en la superficie superior y en el fondo de la pieza de trabajo. En el acuñado hay poco flujo de metal; no obstante, las presiones requeridas para reproducir los detalles superficiales de la cavidad del dado son altas, como se indica por el valor de Kf en la tabla 3.3. Una aplicación común del acuñado es desde luego la acuñación

de monedas, que se ilustra en la figura 3.12. El proceso se usa también para dar acabados

In

g

superficiales y de precisión dimensional a algunas partes fabricadas por otras operaciones

3.5

DADOS DE FORJADO, MARTINETES Y PRENSAS

El equipo que se usa en forjado consiste en máquinas de forja, que se clasifican en

97

Procesos de Manufactura II martinetes prensas dados de forjado y herramientas especiales que se usan en estas máquinas; equipos auxiliares como hornos para calentar el material trabajo, dispositivos mecánicos para cargar y descargar el material de trabajo y estaciones de recorte para

na

recortar las rebabas del forjado con dado impresor

or

Martinetes de forja Estos martinetes funcionan aplicando una descarga por impacto contra el material de trabajo. Se usa frecuentemente el término martinete de caída libre para

D av id

Ac

os

ta

H

designar, estas máquinas, por la forma de liberar la energía de impacto.

Figura Nº 3.13

Los martinetes se usan más frecuentemente para forjado con dado impresor. La parte

g

superior del dado de forjado se fija al pisón y la parte inferior se fija al yunque. En la operación, el material de trabajo se coloca en el dado inferior, el pisón se eleva y luego se

In

deja caer sobre la pieza de trabajo. Cuando la parte superior del dado golpea el material de trabajo, la energía del impacto ocasiona que la parte tome la forma de la cavidad del dado. Se necesitan varios golpes de martillo para lograr el cambio deseado de forma. Los martinetes se pueden clasificar cómo martinetes de caída libre y martinetes de potencia. Los 98

Procesos de Manufactura II martinetes de caída libre generan su energía por el peso de un pisón que cae libremente. La fuerza del golpe se determina por la altura de la caída y el peso del pisón. Los martinetes de potencia aceleran el pisón con presión de aire o vapor figura 3.14. Una desventaja del

na

martinete de caída libre es que una gran parte de la energía del impacto se trasmite a través

D av id

Ac

os

ta

H

or

del yunque al piso del edificio

Existen dos clases de procedimientos de forjado: forjado por impacto y forjado por

presión. En el primero, la carga es aplicada por impacto y la deformación tiene lugar en un corto tiempo. Por otra parte, en el forjado por presión, se involucra la aplicación gradual de presión para lograr la cedencia del metal. El tiempo de aplicación es relativamente largo. Más del 90% de los procesos de forjado son en caliente.

In

g

El forjado por impacto a su vez puede ser dividido en tres tipos:

a) Forjado de herrero. b) Forjado con martinete. c) Forjado por recalcado.

99

Procesos de Manufactura II Prensas de forjado Las prensas aplican una presión gradual, en lugar de impactos repentinos para realizar las operaciones de forja figura 3.14. Las prensas de forjado incluyen prensas mecánicas, prensas hidráulicas y prensas de tornillo. Las prensas mecánicas

na

funcionan por medio de excéntricos, manivelas y juntas o articulaciones de bisagra que convierten el movimiento giratorio de un motor en movimientos de traslación del pisón. Las prensas mecánicas típicas alcanzan fuerzas muy altas en el fondo del recorrido de forjado.

or

Las prensas hidráulicas usan un cilindro hidráulico para accionar el pisón. Las prensas de

tornillo aplican la fuerza por medio de un tornillo que mueve al pisón vertical. Tanto las

H

prensas de tornillo como las hidráulicas operan a velocidades bajas del pisón o ariete y pueden suministrar una fuerza constante a través de la carrera. Por tanto, estas máquinas

os

requieren grandes carreras.

ta

son apropiadas para las operaciones de forjado (y otras operaciones de formado) que

Dados de forjado Es importante el diseño de los dados para el éxito de la operación de forjado. Las partes que se forjan deben diseñarse con el conocimiento de los principios y

Ac

limitaciones de este proceso. Nuestro objetivo es describir parte de la terminología y algunos lineamientos que se usan en el diseño de dados para forja. El diseño de los dados abiertos es generalmente trivial ya que su forma es relativamente simple. Nuestros

D av id

comentarios se aplican a los dados impresores y a los dados cerrados. La figura 3.15 define

In

g

parte de la terminología en un dado de impresión.

Figura Nº 3.15

100

Procesos de Manufactura II En la revisión de la siguiente terminología de los dados de forjado se indican algunos de los principios y limitaciones en su diseño, que deben considerarse para el diseño de las partes o para la selección de los procesos de manufactura:

na

Línea de separación. La línea de separación o partición es el plano que divide la

parte superior del dado de la parte inferior. La llamada línea de rebaba en el forjado con dado impresor es el plano

or

donde se encuentran las dos mitades del dado. Su mala selección afecta el flujo de los granos en la pieza, la carga requerida y la formación de rebaba.

H

Ahusamiento (ángulo de salida). Es el grado de inclinación que se requiere en los lados de la pieza para poder retirarla del dado. El término se aplica también al ahusamiento

ta

en los lados de la cavidad del molde. Los ángulos típicos de salida son de 3º para el aluminio y el magnesio, y de 5º a 7º para partes de acero. Los ángulos de tiro para forjados

os

de precisión son cercanos a cero.

Membranas y costillas. Una membrana es una porción delgada del forjado que es paralela a la línea de separación, mientras que una costilla es una porción delgada

Ac

perpendicular a la línea de separación. Estas características de la parte producen dificultad en el flujo de metal al adelgazarse.

Filetes y radios de las esquinas. Los filetes y las esquinas se ilustran en la figura 3.15. Los radios pequeños tienden a limitar el flujo de metal e incrementar la resistencia en

D av id

las superficies del dado durante el forjado. Rebaba. La formación de rebaba juega un papel crítico en el forjado con dados de

impresión porque causa una acumulación de la presión dentro del dado que promueve el llenado de la cavidad. Esta acumulación de presión se controla diseñando un campo para la rebaba y un canal dentro del dado, como se muestra en la figura 3.15. El campo determina el área superficial a lo largo del cual ocurre el flujo lateral del metal, controlando así el incremento de la presión dentro del dado, El canal permite que escape material en exceso y

g

evita que la carga de forjado se eleve a valores extremos.

In

FORJADO DE HERRERO Este es indudablemente el más antiguo tipo de forjado, pero en la actualidad es

relativamente poco común. La fuerza de impacto para la deformación es aplicada

101

Procesos de Manufactura II manualmente por el herrero por medio de un martillo. La pieza de metal es calentada en una fragua y cuando se encuentra a la temperatura adecuada es colocada en un yunque. El yunque es una masa pesada de acero con la parte superior plana, una parte en forma de

na

cuerno la cual está curvada para producir diferentes curvaturas, y un agujero cuadrado en la parte superior para acomodar varios accesorios del yunque. Mientras está siendo martillado el metal, éste se sujeta con unas tenazas apropiadas. Algunas veces se usan formadores,

or

éstos tienen asas o mangos y el herrero los fija a la pieza de trabajo mientras el otro extremo es golpeado con un marro por un ayudante. Las superficies de los formadores

H

tienen diferentes formas y son usados para conferir estas formas a las forjas. Un tipo de formador llamado copador, tiene un borde bien redondeado en forma de cincel y se usa

ta

para estirar o extender la pieza que se trabaja. Un copador concentra el golpe y origina que el metal se alargue más rápidamente que como puede hacerse usando la superficie plana

os

del martillo. Los copadores también son hechos como accesorios del yunque de manera que el metal es estirado usando copadores en la parte superior e inferior. En el agujero cuadrado del yunque pueden colocarse accesorios de varias formas. Los cinceles de trabajo

Ac

son usados para cortar el metal, se usan punzonadores y un bloque con barreno de tamaño adecuado para lograr barrenos. La soldadura puede hacerse dando forma a las superficies a ser unidas, calentando las dos piezas y agregando fundente a la superficie para eliminar la escoria e impurezas. Posteriormente las dos piezas son martilladas juntas produciéndose la

D av id

soldadura.

Los metales más fáciles de forjar son los aceros al bajo y medio carbones y la

mayoría de los forjados de herrero están hechos de estos metales. Los aceros al alto carbono y los aceros con aleaciones son más difíciles de forjar y requieren mucho cuidado. La mayoría de los metales no ferrosos pueden ser forjados satisfactoriamente.

g

FORJADO CON MARTINETE

In

Este es el equivalente moderno del forjado de herrero en donde la fuerza limitada del

herrero ha sido reemplazada por un martillo mecánico o de vapor. El proceso puede llevarse a cabo en forjado abierto donde el martillo es reemplazado por un mazo y el metal es manipulado manualmente sobre un yunque.

102

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


Figura Nº 3.16 Martillo para forja por caída libre.

103

Procesos de Manufactura II La Fig. 3.16 muestra el martillo de caída libre. La calidad de los productos depende en mucho de la habilidad del forjador. El forjado abierto se usa extensamente para el proceso de espigado en donde la pieza de trabajo es reducida en tamaño por golpes repetidos

na

conforme el metal gradualmente pasa bajo la forja. La manera en que esto se logra se muestra en las Fig. 3.17 en donde el metal listo para ser deformado está indicado por el

D av id

Ac

os

ta

H

or

área sombreada, la pieza de trabajo se mueve hacia la derecha.

Figura Nº 3.17 Espigado.

El espigado de una barra prismática puede usarse para evaluar los parámetros

involucrados y cómo son controlados. El objetivo es reducir el espesor de la pieza de trabajo en una secuencia escalonada de extremo a extremo. Pueden requerirse varias pasadas

g

para completar el trabajo y usualmente se efectuaría un canteado para controlar el ancho. La reducción en el espesor está acompañada por una elongación y un extendimiento. Las

In

cantidades relativas de elongación y extendimiento no pueden calcularse teóricamente pero han sido determinadas experimentalmente para aceros suaves. Se encontró que los valores actuales dependen de la relación de la longitud de la herramienta a ancho del metal, la cual se denomina relación de agarre.

104

Procesos de Manufactura II FORJADO CON DADO CERRADO EN MARTINETE La forja con dado cerrado en martinete es ampliamente usada, el mazo y el yunque

na

son reemplazados por dados. Los dados están machihembrados para ser fijados en el

yunque y en el mazo. Además tienen una serie de ranuras y cavidades labradas en ellos y

or

la pieza de trabajo se pasa en secuencia, a través de las series de formado.
La Fig. ilustra el principio de una forja de impacto. La forja masiva es actualmente

H

producida por el proceso de forja con dado y martinete. La Fig. 18 muestra un ejemplo de los dados usados para este proceso (el ejemplo muestra un dado de dos estaciones). El

D av id

Ac

os

ta

número de estaciones dependerá de la complejidad de la forja.

Figura Nº 3.18 Elementos típicos de un dado para forja cerrada.

g

Estas estaciones tienen nombres tales como extendido, bloqueado, canteado,

doblado y cortado. Donde se involucran varias estaciones, debe tenerse cuidado y

In

asegurarse que el metal no se enfríe demasiado, antes de llegar a la última estación. Para asegurar que la cavidad del dado se llena completamente, el volumen del lingote o trozo inicial es mayor que el de la forja final. El exceso de metal aparece como "rebaba" en cada etapa, ésta es aleta delgada alrededor del perímetro de la forja en la línea de partición. Esta 105

Procesos de Manufactura II rebaba es cortada posteriormente en una prensa, por lo general, a alta temperatura. El peso de la rebaba debe ser un pequeño porcentaje del peso total de las forjas de formas simples,

na

pero puede exceder el peso de las forjas de forma complicada. De esta manera, cada tamaño y forma de forja requerirá un juego indepen-diente de dados de forja y recorte. La tolerancia de producción para el metal Inicial debe incluir un

or

exceso por ejemplo 10 ± 0 2 mm. La sobretolerancia del metal es acomodada por un canal alrededor de la cavidad del dado, que permite la formación de la aleta referida

H

anteriormente.

ta

FORJADO POR RECALCADO

Este proceso fue desarrollado originalmente para colectar o recalcar metal para formar las

os

cabezas de tornillos. Actualmente el propósito de esta máquina ha sido ampliado para incluir una basta variedad de forjas. Es esencialmente una prensa de doble acción con movimientos horizontales en lugar de verticales. La máquina de forja tiene dos acciones. En

Ac

la primera, un dado móvil viaja horizontalmente hacia un dado similar estacionario. Estos dos dados tienen ranuras horizontales semicirculares las cuales sujetan las barras. Una barra calentada en un extremo es insertada entre el dado móvil y el estacionario. Mientras está sujeta de esta manera, un extremo de la barra es recalcado o presionado dentro de la

D av id

cavidad del dado por una herramienta cabeceadora montada sobre un ariete que se mueve hacia el frente de la máquina. Si se desean cabezas hexagonales, la herramienta cabeceadora recalcará algo del metal dentro de la cavidad de forma hexagonal del dado. Para forjas más complejas pueden usarse hasta seis dados diferentes y herramientas cabeceadoras a un tiempo, de manera similar a las diferentes estaciones en un dado de forjado por martinete.

g

FORJADO EN PRENSA

In

Mientras que el forjado por impacto usualmente involucra una prensa mecánica, por otro lado en el forjado en prensa se requerirá de fuerza hidráulica. Las grandes forjas invariablemente son producidas en grandes prensas hidráulicas. Estas tienen arietes que se

106

Procesos de Manufactura II mueven vertical y lentamente hacia abajo, bajo presión considerable. El equipo requerido

H

or

na

es, por tanto, mucho mayor y la Fig. 3.19 muestra este tipo de forja.

os

ta

Figura Nº 3.19. Elementos de una prensa para forja. Una prensa típica de forja es capaz de cargas del orden de 6000 a 10 000 ton. Forjas de más de 100 ton de peso pueden ser movidas fácilmente en estas prensas forjadoras y los

In

g

D av id

Ac

productos de más alta calidad son manufacturados por esta técnica.

107

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


In

g

Figura Nº 3.19

108

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


In

g

Figura Nº 3.20

109

Figura Nº 3.21

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


110

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


Figura Nº 3.22

111

Figura Nº 3.23

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


112


In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na

Figura Nº 3.24

113

os

ta

H

or

na


In

g

D av id

Ac

Figura Nº 3.25

114


In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na

Figura Nº 3.26 a

Figura Nº 3.26 b

115

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


116

Procesos de Manufactura II 3.6

CARACTERÍSTICAS DE LAS PIEZAS ESTAMPADAS

Al recibir un diseño (dibujo) de una pieza determinada es función del tecnólogo elegir, sobre

na

la base de la forma, material, cantidad a producir, etcétera, la mejor vía para construirla. La elección de un proceso de elaboración particular obliga a verificar ciertas reglas inherentes al mismo en lo que a forma de la pieza, tolerancias de elaboración y tipo de material, entre

or

otras se refiere. En el caso -le que basándonos en las condiciones nombradas eligiéramos fabricar una pieza mediante un proceso de forja en estampa con línea de rebaba,

H

tendríamos que verificar las reglas a cumplir por las piezas a ser forjadas y que son:

Para evitar la pegadura de 1a pieza al grabado este deberá tener paredes laterales El valor de estas inclinaciones es casi siempre de 6'para

ta

suficientemente inclinadas.

paredes exteriores y de 9° para paredes interiores y puede ser mayor si las paredes son

os

profundas o menores (hasta 1°), si la estampa está provista de botadores. La pieza debe tener todos sus cantos redondeados, con valores tan grandes como sean permisibles y nunca menores de 1-2 mm. Esta medida facilita el flujo del material, y

Ac

disminuye el desgaste de los cantos exteriores y la tensión en los cantos interiores. La línea de rebaba debe tener un ordenamiento favorable, que facilite tanto el correcto llenado del grabado como su posterior eliminación. Las tolerancias de elaboración, como en todo proceso en caliente, son grandes para

D av id

el caso normal, con valores mínimos cercanos al milímetro. Además de estas reglas existen otras condiciones tales como imposibilidad de forjar

agujeros pasantes lo que puede hacer que la figura a obtener por la forja varíe con respecto a la pieza originalmente diseñada. En este caso quedan dos caminos a seguir: primero,

In

g

discutir la

117

Ac

os

ta

H

or

na


variación del diseño original buscando la aprobación del nuevo y seguido, de no ser posible el primero, continuar el proceso tecnológico de elaboración, dando luego de los pasos de forja, otros tales como: punzonado. calibrado, maquinado, etcétera, que den la forma

D av id

originalmente pedida.La figura 3.27 nos muestra un ejemplo de una pieza forjada y dentro de ella, en línea de puntos, lo que era el dibujo original, es decir, la forma que tenía ella condicionada solo por la función a desarrollar.Como se ve en este caso, muy típico, se hace imprescindible el punzonado de un agujero pre estampado y su posterior terminación mediante maquinado. La forma exterior, sin embargo, puede ser rediseñada para adaptarla al proceso, es decir, puede quedar con las inclinaciones y redondeos de forja.

g

Cálculo de la distribución de masa

In

Un arma muy útil para determinar la mejor vía de cómo forjar una pieza lo constituye el diagrama de distribución de masa, cuya confección se describe a continuación (figura 3.29). El punto de partida para la confección del diagrama de distribución de masa, lo constituye

118

Procesos de Manufactura II un dibujo de la pieza tal y como sale de la estampa, es decir, incluyendo los redondeos, inclinaciones laterales, posibles sobre medidas de maquinado en lugares que deben ser luego elaborados y agujeros pre estampados.

na

A continuación se establece debajo de esta pieza (figura 3.29) un sistema de

coordenadas, tomando como abscisas un eje paralelo al eje longitudinal de la pieza en la misma escala en que fue dibujada esta y como ordenadas valores de áreas.

or

Posteriormente, a valores determinados de abscisas se le calcula el área transversal

correspondiente de la pieza forjada, inscribiéndose estos valores como ordenadas en el eje

H

dividido en unidades de área. Luego de realizados tantos cortes transversales como sea necesario y ploteados los valores correspondientes, se unen todos los puntos hallados (ver

ta

línea (1) de la figura 3.29) cerrándose la figura. El área bajo ella representa el volumen de material que lleva la pieza forjada (áreas por longitudes) correspondiente a la masa final de

os

la misma.

Para hallar la masa inicial, es decir, la cantidad de material que es necesario emplear para obtener la pieza forjada, será necesario sumar a los valores de ordenadas ya obtenidos, el

Ac

área que ocupa el material que pasa a la línea y canal de rebaba. Una vez realizada esta operación, obtendremos las nuevas ordenadas representadas por la línea (2) en la figura citada.

D av id

Hasta aquí hemos logrado obtener la masa inicial necesaria para forjar la pieza y la forma

en que ella se distribuye en la pieza terminad,¡. La ventaja mayor, la realmente importante,'que nos brinda el diagrama hasta aquí hallado, es la posibilidad de determinar, a partir de él, como debe ser la forma intermedia anterior (o el escalonamiento en varios pasos ). para facilitar al máximo la forja. La determinación de la forma anterior obliga a dar un paso más en el diagrama obtenido y es el siguiente si calculáramos una forma inicial de longitud igual a la longitud que determina la línea (2) sobre el eje de las abscisas,

g

tendríamos un semi producto mayor que el grabado, lo que dificultaría la exactitud (te su

In

colocación sobre la estampa. Para eliminar esta dificultad se, acostumbra tomar las masas (volúmenes) de las zonas extremas y reubicarlas en un lugar cercano de forma tal que la longitud de la pieza se acorte (5-10 mm de la longitud del grabado). En la figura 3.29 se refleja esta reubicación y el área señalada como V1 y V2 se pasa a las 119


In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na

similares V1’ y V2’.

Con la nueva distribución se puede continuar el trabajo determinándolo cómo debe ser la

forma previa. Para la determinación de esta influirá desde luego el tipo de proceso que emplearemos para obtenerla. Aquí hablaremos sólo de dos tipos y son el recortado con 120

Procesos de Manufactura II troquel de corte y el que llamaremos roleado en estampa. Si dada la forma de la pieza y las máquinas existentes se pudiese obtener la forma corte de forma tal que nos diese la distribución de masa calculada.

na

intermedia mediante un troquel de corte, tendríamos solamente que realizar un diseño del

or

El segundo proceso a que nos referimos, muy empleado para la obtención de formas intermedias especialmente cuando se forja a partir de la barra, es el que llamaremos

H

roleado en estampa. Mediante este se obtienen, al ir girando progresivamente la barra, figuras de revolución de secciones variables dentro de una estampa como la mostrada en la

D av id

Ac

os

(normalmente un martinete neumático).

ta

figura 3.30, la cual se encuentra montada en una máquina de forjar de cadencia rápida

Si nosotros escogiésemos este proceso para obtener la forma intermedia, solo

tendríamos que llevar las áreas que representan las ordena(las de la línea (3) del diagrama

g

de distribución de masas (ver figura 3.29), : una figura simétrica del tipo que brinda el

In

mismo, es decir, con sección circular en cada plano transversal al eje de simetría. La determinación del diámetro correspondiente se obtendrá a partir de

121

De esta forma obtendríamos el dibujo inferior de la citada figura.

na


El Último paso a dar consistirá en seleccionar el semi producto de partida, el cual como

or

ya se dijo debe ser un laminado corriente (normado). La nueva tarea consiste solo en

seleccionar un diámetro comercial, cuya dimensión permita el roleado y calcular la longitud

H

que da el volumen de material requerido por pieza (reflejado en el diagrama de distribución

os

Preformación de la sección transversal

ta

de masas), más un 57. de este valor que se acepta se pierde por concepto de oxidación.

Con la ayuda del diagrama de distribución de masas se determinó la cantidad de material necesaria en cada sección transversal a lo largo del eje de la pieza. La preformación de la

Ac

sección transversal se ocupa de la distribución de esta masa a lo ancho de la pieza. La principal regla a seguir es que la forma de la sección de partida sea lo más similar posible a la sección transversal que se desea obtener, con el fin de que el trabajo a

D av id

desarrollar en el grabado final, el que da la pieza forjada, sea el menor posible. La preformación de la sección transversal posee particular importancia en el caso de

existencia de variaciones notables de altura de la pieza, caso en el cual se conforma regularmente en varios pasos por ser muy difícil la distribución transversal en uno solo. Para lograr el objetivo planteado, se parte de la existencia de la cantidad de masa

necesaria en cada sección, deben seguirse solo dos reglas sencillas: La altura de la forma intermedia debe ser mayor que la de la pieza final, lo que

g

implica que su ancho sea menor.

In

Los radios de empalme de todas las áreas cóncavas deben ser mayores que los de la

final.

122

H

or

na


Queremos hacer resaltar que existe una cantidad grande d e piezas que se forjan en estampas, partiendo directamente de los laminados normales, es decir, sin emplear formas

ta

intermedias. Este es el caso, por ejemplo, de piezas pequeñas, sencillas, muchas de

os

metales no ferrosos y que se producen en pequeñas cantidades.

Mientras más complicada sea la pieza y mayor el número a producir, más cuidadosamente deberá determinarse la forma, la cantidad y tipo de pasos intermedios en que se realizará

OTRAS OPERACIONES DE FORJA

D av id

3.7

Ac

esta.

Aparte de las operaciones convencionales de forja descritas en las secciones

anteriores hay otras operaciones de formado para metal que están relacionadas se asocian

In

g

muy cerca con el forjado.

123

ta

H

or

na


Ac

os

Figura Nº 3.32

Recalcado y encabezamiento El recalcado (también llamado forjado de recalcado) es una operación de deformación en la cual una parte o pieza de trabajo cilíndrica aumenta su

D av id

diámetro y reduce su longitud. Esta operación se analizó en nuestra descripción del forjado en dado abierto. Sin embargo, es una operación industrial que puede también ejecutarse como un forjado en dado cerrado como se observa en la figura 3.32. El recalcado se usa ampliamente en la industria de los sujetadores para formar

cabezas de clavos, pernos y productos similares de ferretería. En estas aplicaciones se emplea frecuentemente el término encabezamiento para denotar la operación. La figura 3.33 ilustra una variedad de aplicaciones del encabezamiento, indicando varias

g

configuraciones posibles del dado. Debido a este tipo de aplicaciones, se producen más partes por recalcado que por cualquier otra operación de forjado. El recalcado se realiza

In

como una operación de producción en masa en frío, en tibio o en caliente, con máquinas especiales de recalcado por forja, llamadas formadoras de cabezas. En general, estas máquinas se equipan con deslizaderas horizontales, en lugar de las verticales usadas en los martinetes y prensas convencionales. El material con que se alimentan estas máquinas son 124

Procesos de Manufactura II barras o alambres, se forman las cabezas en los extremos de las barras y luego se corta la pieza a la longitud adecuada para hacer el artículo de ferretería deseado. Se usa el

ta

H

or

na

laminado de cuerdas para formar las piezas completas de pernos y tornillos.

In

g

D av id

Ac

os

Figura Nº 3.33

Hay límites para la cantidad de deformación que se puede alcanzar en el recalcado,

definidos usualmente como la longitud máxima del material a forjar. La longitud máxima que se puede recalcar en un golpe es tres veces el diámetro de la barra inicial. De otra manera,

125

Procesos de Manufactura II el metal se dobla o arruga en lugar de comprimirse para llenar adecuadamente la cavidad.

na

Estampado (suajeado) con forja y forjado radial Son procesos de forjado que se usan para reducir el diámetro de un tubo o barra sólida. El estampado se ejecuta

frecuentemente sobre el extremo de una pieza de trabajo para crear una sección abusada.

or

El proceso de estampado, que se muestra en la figura 3.35, se realiza por medio de dados

rotatorios que golpean en una pieza de trabajo radialmente hacia dentro para ahusarla

H

conforme la pieza avanza dentro de los dados. La figura 3.36 ilustra algunas de las formas y productos que se hacen por estampado. Se requiere algunas veces un mandril para controlar la forma y tamaño del diámetro interno de las partes tubulares que se estampan. El

ta

forjado radial es similar al estampado en su acción contra la parte y se usa para crear formas similares. La diferencia es que en el forjado radial los dados no giran alrededor de la

os

pieza de trabajo; en su lugar, el material de trabajo es el que gira al avanzar dentro de los

D av id

Ac

dados martillo.

In

g

Figura Nº 3.35

126

os

ta

H

or

na


Ac

Figura Nº 3.36

Forjado con rodillos Es un proceso de deformación que se usa para reducir la

D av id

sección transversal de una pieza de trabajo cilíndrica (o rectangular), ésta pasa a través de una serie de rodillos opuestos con canales que igualan la forma requerida por la parte final. La operación típica se ilustra en la figura 3.37 El forjado con rodillos se clasifica generalmente como un proceso de forja, aun cuando utiliza rodillos. Los rodillos no giran continuamente, sino solamente a través de una porción de revolución que corresponde a la deformación que requiere la parte. La partes forjadas con rodillos son generalmente más fuertes y poseen una estructura granular favorable con respecto a otros procesos

In

g

competidores como el maquinado que puede usarse para producir estas mismas partes.

127

os

ta

H

or

na


In

g

D av id

Ac

Figura Nº 3.37

Forjado orbital En este proceso, la deformación ocurre por medio de un dado superior

128

Procesos de Manufactura II en forma de cono que presiona y gira simultáneamente sobre el material de trabajo, como se ilustra en la figura 3.38. El material de trabajo se comprime sobre un dado inferior que tiene una cavidad. Debido a que el eje del cono está inclinado, solamente una pequeña área

na

de la superficie del material de trabajo se comprime en cualquier momento. Al revolver el

dado superior, el área bajo compresión también gira. Estas operaciones características del forjado orbital producen una reducción sustancial en la carga requerida de la prensa para

D av id

Ac

os

ta

H

or

alcanzar la deformación del material del trabajo.

In

g

Figura Nº 3.38

129

Ac

os

ta

H

or

na


Punzonado El punzonado en forja es un proceso de deformación en el cual se prensa

D av id

una forma endurecida de acero sobre un bloque de acero suave (u otro metal suave). El proceso se usa frecuentemente para hacer cavidades de moldes para moldeo de plásticos y fundición en dados, como se muestra en la figura 3.39. La forma de acero endurecido se llama punzón o fresa y está maquinada con la geometría de la parte que se va a moldear. Para forzar la fresa dentro del bloque de metal suave se requiere una presión sustancial, esto se logra generalmente con una prensa hidráulica. La formación completa de la cavidad del dado en el bloque requiere frecuentemente varios pasos, como el fresado seguido del

g

recocido para remover el endurecimiento por deformación. Cuando el bloque del material se ha deformado en cantidades significativas, como se muestra en la figura, se elimina el

In

exceso por maquinado. La ventaja del punzonado en esta aplicación es que es más fácil maquinar la forma positiva que erosionar la cavidad negativa. Esta ventaja se multiplica en los casos donde se tienen que hacer cavidades múltiples en el bloque del dado.

130

D av id

Figura Nº 3.39

Ac

os

ta

H

or

na


Forjado isotérmico en dado caliente El forjado isotérmico es un término que se aplica

a operaciones de forjado caliente, donde la parte de trabajo se mantiene a temperaturas elevadas durante todo el proceso. Si se evita que la pieza de trabajo se enfríe al contacto con la superficie fría de los dados, como se hace en el forjado convencional, el metal fluye

g

más fácilmente y la fuerza requerida para desempeñar el proceso se reduce. El forjado

In

isotérmico es más costoso que el forjado convencional y se reserva para metales difíciles de forjar, como el titanio y las superaleaciones, y para partes complejas. El proceso se lleva a cabo algunas veces al vacío para evitar la oxidación rápida del material del dado.

131

Procesos de Manufactura II Similar al forjado isotérmico es el forjado con dado caliente, en el cual se calientan los

na

dados a una temperatura algo menor que la del metal de trabajo.

Recortado El recortado es una operación que se usa para remover la rebaba de la

parte de trabajo en el forjado con dado impresor. El recortado en la mayoría de los casos se

or

realiza por cizallamiento como en la figura 3.40, en la cual un punzón fuerza el material de trabajo a través de un dado de corte, cuyo contorno tiene el perfil de la parte deseada. El

H

recorte se hace usualmente mientras el material de trabajo está aún caliente, esto significa que se debe incluir una prensa de recortado separada por cada martinete o prensa. En los casos donde el trabajo podría dañarse por el proceso de corte, el recorte puede hacerse por

g

D av id

Ac

os

ta

medios alternativos, como esmerilado o aserrado.

In

Figura Nº 3.40

132

Procesos de Manufactura II Defectos del proceso

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na

Figura Nº 3.41

133


In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na

Figura Nº 3.42 Operaciones relacionadas: Forjado Bolillas

134


3.8

DISEÑO DEL PRODUCTO PARA FORJA

D av id

Figura Nº 3.43

Ac

os

ta

H

or

aplicables a todos los metales forjabas y sus aleaciones (Tabla 4.1.l.).

na

Los fundamentos sobre diseño del producto que se enunciarán a continuación, son

Línea de partición. Es el plano de partición entre el dado superior y el inferior de una matriz

cerrada. Normalmente se ubica (aunque no siempre) a través del área transversal máxima de la pieza; puede ser plana o irregular y se debe señalar en todos los dibujos del producto y de la matriz. La ubicación del plano de partición puede influir considerablemente en el costo del herramental, duración de la matriz, facilidad de forja, flujo del grano, propiedades mecánicas y requerimientos de maquinado para la terminación de la pieza. Es preferible

g

situar el plano de partición sobre la periferia mayor de la pieza (Fig. 3.43.), ya que es más fácil forjar lateralmente el flujo de metal, extendiéndolo que llenar un hueco profundo.

In

Mediante dados superiores planos se puede reducir el costo del herramental, debido a que sólo se requiere maquinar la cavidad en el dado inferior (Fig. 3.44), esto también simplifica el proceso, ya que elimina la posibilidad de desalineamiento sobre los dados superior e inferior y permite tener un solo dado superior plano para varias matrices. 135

H

or

na


Figura Nº 3.44

ta

Las piezas donde la línea de partición está inclinada con respecto al plano de forja, pueden presentar dificultades durante el desbarbado si la inclinación es demasiado grande, según

D av id

Ac

os

se indica

Figura Nº 3.45

en la Fig., la práctica recomendable es limitar esta inclinación a 75° como máximo, para evitar extremos mal desbarbados. La localización de la línea de partición tiene un papel

In

g

crítico sobre el flujo del grano y en las propiedades dimensionales del producto forjado.

136

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


137

Procesos de Manufactura II Durante el proceso, el exceso de metal fluye fuera de la matriz por la cuneta de alivio conforme los dados se aproximan. Este flujo en dirección de la línea de partición puede

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na

crear zonas desfavorables en la pieza según se muestra en la Fig. 3.47.

Figura Nº 3.47

Una línea de partición sobre el lado exterior de un nervio, puede ser colocada

138

Procesos de Manufactura II indistintamente, adyacente al alma de la pieza o en el extremo del nervio opuesto. En las forjas donde el alma de la pieza esté situada en varios planos, enmarcada por un

D av id

Figura Nº 3.48

Ac

os

ta

H

or

na

nervio, la línea de partición puede seguir la trayectoria del alma de la pieza (Fig. 3.48).

También es correcto situar la línea de partición por encima o por debajo de la superficie del alma de la pieza. La Fíg. 3.49. muestra como la ubicación de la línea de partición puede

In

g

modificar el diseño del producto y de la herramienta.

139

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


Figura Nº 3.49

140

Procesos de Manufactura II Cuando la línea de partición está inclinada con respecto al plano de forja o las dimensiones principales de la pieza están en planos coordenadas girados, el ángulo de

os

ta

H

or

na

salida debe estar referido a la dirección de la carrera de la prensa o martillo (Fig. 3.50.).

Ac

Figura Nº 3.50

Los ángulos de salida no pueden establecerse hasta que el plano de forja sea delimitado. Un método para posicionar el plano de forja con respecto a una línea de partición irregular,

D av id

se muestra en la Fig. 3.51. Los puntos de intersección se sitúan a 13 mm o menos de los extremos de la pieza.

Angulo de salida. Las salidas se refieren a la conicidad dada a las paredes interiores y

exteriores de una pieza (obtenida en una matriz de forja) para facilitar su extracción de la cavidad del dado. Como ya se mencionó, las salidas están acotadas mediante ángulos

In

g

referidos a la dirección de la carrera del yunque.

141

H

or

na


Figura Nº 3.51

ta

Las salidas no sólo aseguran una buena forja con un mínimo de dificultades de producción, sino que también reducen la fatiga de la matriz. Los ángulos de salida estándar

In

g

D av id

Ac

os

se muestran en la Tabla 4.4.1. en función de la profundidad de la cavidad.

142

Procesos de Manufactura II En la mayoría de los casos, los ángulos de salida menores de 50 impiden el uso de martillos de forja, ya que se requiere la adición de un mecanismo con pernos expulsores para extraer la pieza forjada de la cavidad.

na

La combinación de varios ángulos de salida puede resultar en un mayor costo de la matriz de forja, debido a que en algunas ocasiones la cavidad se maquina con cortadores cónicos y

or

el empleo de un solo ángulo de salida, implica el uso de un solo cortador.

Los nervios, paredes laterales y protuberancias con ángulo de salida constante para

H

diferente profundidad, variarán en el espesor de la base. Si se efectúa un corte imaginario por el fondo de la cavidad, se observaría que las partes más profundas tendrían una pared recta y de espesor constante, sin embargo, conforme se acercara el corte al plano de

ta

partición, la base variaría de espesor y estaría curva o irregular, debido al ángulo de salida

g

D av id

Ac

os

constante (Fig. 3.52).

In

Figura Nº 3.52

143

Procesos de Manufactura II Formar un nervio de altura variable con la parte superior y la inferior paralelas, requiere la combinación de ángulos de salida con el consecuente incremento en el costo de la matriz. Esto se debe hacer sólo en casos donde sea imperativo. La Fig.3.53. muestra

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na

varias opciones y sus efectos.

Figura Nº 3.53

144

Procesos de Manufactura II Falta de coincidencia entre los contornos de los dados superior e inferior Este problema puede surgir a causa del desgaste natural en alguno de los dados, o

na

dados mal alineados o guiados; a continuación se sugieren tres métodos para solucionar el problema. Cuando la falta de coincidencia es pequeña, se recomienda el método de la Fig. 3.54 a;

or

el incremento en peso de la pieza es insignificante y la remoción de material del dado es mínimo. El método de la Fig. 3.54 b se recomienda cuando la falta de coincidencia es sustancial y el ahorro en peso de la pieza es importante. El hombro de coincidencia

H

puede variar de 1.5 mm en piezas pequeñas a 13 mm en las grandes. El método de la

D av id

Ac

os

ta

Fig. 3.54 c adiciona menos material que para el caso a, pero más que en el caso b.

Figura Nº 3.54

Bordes o salidas negativas.

Esto es posible aunque requiere de cuidadosas

consideraciones para su aplicación. Los bordes pueden incrementar ligeramente el costo de operación, ya que la extracción de la pieza puede ser más dilatada. Una forja

g

con bordes a ambos lados de la línea de partición (Fig. 3.55) no puede ser realizada

In

debido a que el dado requeriría ser separable o partido para remover la pieza y esta separación del dado podría mutilar la forja al vencer la resistencia del ángulo de salida en ambos dados.

145

or

na


H

Figura Nº 3.55

ta

Los bordes que deben estar en el dado inferior, sólo se pueden forjar entre los límites mostrados en la Fig. 3.56 y la pieza debe ser removida en la dirección inclinada a causa

D av id

Ac

os

del ángulo negativo que no debe ser mayor de 60.

Figura Nº 3.56

g

También se pueden forjar piezas con ángulos negativos, inclinando el plano de forja

In

para eliminar dicho ángulo (Fig.3.57).

146

H

or

na


ta

Figura Nº 3.57

os

Radios en las esquinas. El radio de una esquina se forma por la intersección de dos superficies con un ángulo menor o mayor de 1800. Para establecer las dimensiones de

Ac

estos radios, se deben tener en cuenta dos factores: 1) El radio como un factor de concentración de esfuerzos en el dado; y 2) La presión necesaria para llenar la cavidad del dado. La forma de un extremo o la esquina de una pieza forjada, requieren la correspondiente cavidad en el dado, debido a que la forja es una pieza en positivo y la

D av id

cavidad del dado una forma negativa; por lo tanto, el radio de una forja está formada por la correspondiente arista del dado. Cuando estas aristas son excesivamente marcadas (poco radio), la fuerza del metal bajo presión y el esfuerzo que esto causa sobre las esquinas, puede provocar fisuras o roturas de estas esquinas después de que tan sólo unas cuantas piezas hayan sido forjadas. Este efecto adverso sobre el dado se acrecienta, debido a las grandes presiones requeridas para llenar y formar esquinas agudas, lo que disminuye la vida del dado y

In

g

vuelve el proceso antieconómico.

147

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


148

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


149

Procesos de Manufactura II Los radios mínimos en las esquinas, limitan el uso de nervios muy altos y delgados. En base a la Gráfica 4.4.2. (elaborada para aleaciones de aluminio) que proporciona el radio de una esquina en función de la altura de la forja a partir del plano de partición, se

na

recomienda lo siguiente:

Formado con un radio en el extremo y salidas estándar, un nervio no debe ser más

delgado que el doble del radio (Fig.3.58). Un nervio grueso o caja, debe tener un

or

extremo plano con dos radios en las esquinas, cada uno igual al radio recomendado

(Fig.3.58); sin embargo, es más recomendable usar un solo radio, igual a la mitad del

H

espesor del nervio. Se deben buscar radios máximos, pero cuidando de mantener los

In

g

D av id

Ac

os

ta

costos de forja al mínimo.

Figura Nº 3.58

la cuidadosa utilización de radios constantes en las esquinas, permite el empleo de 150


H

or

na

herramientas con la misma conicidad, lo que puede redundar en ahorros. (Fig.3.59).

os

ta

Fig Nº 3.59

En los extremos de los nervios, se recomienda el empleo de un radio mayor que el indicado en la Gráfica 4.4.2. El radio Rx sugerido en la Fig.3.60, puede ser dimensionado

Ac

de acuerdo a lo siguiente: Igual a la distancia entre el agujero y el extremo de la pieza,

D av id

más el radio del agujero. Tres veces al radio Rr. Tan grande como sea posible-.

In

g

Figura Nº 3.60

Mientras se recomienda que Rx sea tan grande como sea posible, el tamaño del radio en la vista superior también es importante (Fig.3.62). 151

or

na


ta

H

Figura Nº 3.62

Lo mejor es un radio completo que facilite el maquinado del dado. Si el arco de

os

circunferencia no es de un solo radio (Rz en la figura) el maquinado es más complicado. Las aristas y bordes que están redondeados con un arco de circunferencia completo,

D av id

Ac

reducen los problemas de fractura en las esquinas (Fig.3.63).

g

Figura Nº 3.63

La parte superior o el extremo de un nervio, se debe redondear con un radio mínimo,

In

dependiendo de la altura con respecto al plano de partición. La vida útil del dado se reduce cuando se forjan nervios delgados o profundos. La fuerza requerida para llenar la cavidad de un nervio profundo, particularmente cuando está adyacente a una sección (alma) muy delgada, desarrolla severos 152

Procesos de Manufactura II esfuerzos en el dado. Por lo tanto, los nervios cercanos a almas delgadas, deben ser tan cortos como lo permita el diseño. Los filos que se forman en la intersección de dos superficies, deben

na

permitir al material en forja, fluir libremente para seguir el contorno del dado con facilidad.

Los filos con radios pequeños pueden causar vacíos momentáneos durante los

or

cambios de dirección del metal al fluir. Estos huecos son subsecuentemente llenados,

pero la interrupción del flujo ocasiona una fisura o grieta que debilita la pieza, lo anterior

H

se muestra gráficamente en la Fig.3.64.

La Gráfica 4.4.3, recomienda los radios en los filos para forjas de aluminio en los

D av id

Ac

os

aplicación de los radios indicados.

ta

procesos de forja en bloque convencional y de precisión, y en la Fig. 3.64, se muestra la

Figura Nº 3.64

Si el metal debe llenar nervios en la periferia, se deben indicar radios en el alma de la

pieza por lo menos iguales a Rc (Gráfica 4.4.3); si el alma es muy ancha, este radio se

In

g

debe hacer un poco mayor. Cuando los nervios opuestos no confinen el flujo de metal hacia el canal de salida

para obtener forjas correctas, se deben emplear los valores de Ru indicados en la Gráfica 4.4.3. y cuya aplicación se muestran en la Fig. 3.66. Un área no confinada es aquella cuya periferia exterior está confinada menos del 50% de la periferia total 153

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


In

Figura Nº 3.65

La magnitud de los radios en los filos, está en función de la altura de la superficie

donde se encuentra el filo y el nivel de la superficie de referencia más cercana (Fig.3.65). Como ya se mencionó, la combinación de radios en los filos incremento el 154

Procesos de Manufactura II costo de los dados, sin embargo, cuando es necesario combinar diferentes radios, esto se debe hacer en las intersecciones de las esquinas que aparecen en las vistas

D av id

Ac

os

ta

H

or

na

ortogonales, según muestra la Fig.3.66

Figura Nº 3.66

En las intersecciones menores de 90° y con alturas del nervio de 25 mm o más, se

sugieren radios grandes para evitar grietas en la pieza (Fig,3.67); estos radios se deben

In

g

tomar normales al ángulo bisector.

155

ta

H

or

na


os

Figura Nº 3.67

Ac

Para prevenir "adelgazamientos" en almas muy delgadas o encerradas por nervios, y también cuando la separación entre nervios sea mayor a diez veces su altura, se recomiendan radios en los filos mayores a los usuales. Un filo inadecuado en la base de un nervio, ocasiona que el metal fluya hacia el canal de salida en lugar de fluir hacia el

D av id

nervio. El resultado es una discontinuidad en 1,a estructura del grano. Los radios de intersecciones interiores (Fig.3.66) deben ser iguales o un poco

mayores que el radio de la esquina, esto implica una combinación de radios, aunque se evitan condiciones no uniformes de la pieza. El radio del filo se debe en dos direcciones y cuando se intersecten dos superficies, el radio interior se puede usar para eliminar el

In

g

filo de esta intersección.

156

D av id

Figura Nº 3.66

Ac

os

ta

H

or

na


Alma de las piezas forjadas. Las dimensiones del alma de una pieza depende del

tamaño de la parte expresada en función del área del plano de partición y de su

In

g

espesor promedio (Fig.3.67).

157

Figura Nº 3.67

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


Las cavidades de alivio para los agujeros, no deben ser incluidas en el área del plano de partición cuando se vaya a determinar el espesor mínimo del alma (Fig.3.68). 158

H

or

na


ta

Figura Nº 3.68

La Tabla 4.4.4, muestra espesores del alma aplicables a las forjas de precisión y

os

convencional para piezas de aleaciones de aluminio. Para la forja en bloque, el espesor del alma es considerablemente mayor que los valores de esta tabla y por ningún motivo debe ser menor a 1.5 veces estos valores; lo anterior se debe a las tolerancias más

In

g

D av id

Ac

holgadas que requiere la forja en bloque y a las tolerancias de acabado.

159

Procesos de Manufactura II Cuando las almas son delgadas, es difícil mantener tolerancias cerradas, ya que se enfrían y contraen más de prisa que otras zonas más gruesas de la pieza, además, las secciones delgadas tienden a deformarse durante el tratamiento térmico postforja,

na

aplicado para relevar esfuerzos.

Las almas y los nervios delgados tienden a causar grietas en los dados y secciones vacías, debido a la tendencia del flujo del metal que trata de seguir las trayectorias de

or

menor resistencia.

La forja de almas delgadas también puede causar deflexiones temporales en los

H

dados, resultando en un alma más gruesa en la parte media que en los extremos de la pieza; cuando las secciones son sumamente delgadas, esta deflexión en el dado puede ser permanente.

ta

Esta dificultad para forjar secciones delgadas puede ser disminuída mediante cavidades de alivio (que también pueden servir como protuberancias para agujeros) o

os

mediante estrechamientos recomendables para almas confinadas de amplia extensión y encerradas por nervios altos (Fig.3.68).

Ac

Las cavidades de alivio son la alternativa más deseable, debido a que reducen el área proyectada del plano de partición y la presión requerida para la forja; la localización más favorable de las cavidades de alivio es en el centro del área donde la resistencia al flujo

D av id

del metal es mayor.

La incorporación de ' barbas y cavidades de alivio (Fig.3.68) en estos puntos interiores

de los dados provee un medio eficiente de escape para el excedente de metal. Es de más ayuda y económico la localización de pocas y grandes cavidades de alivio

(protuberancias para agujeros) que de muchos y pequeños agujeros con la misma área total; los pequeños agujeros no mejoran la forjabilidad. Para llenar la cavidad de alivio, el material debe introducirse en el dado de forja con un

barreno premaquinado para permitir que el material fluya hacia ese hueco, formando la

In

g

protuberancia al llenar la cavidad del dado. Las protuberancias de forma redonda para los agujeros, son preferidas por la facilidad

de recorte. Las protuberancias para agujero, también son utilizadas por razones funcionales, tales como aligerar el peso de la pieza, proveer claros o minimizar maquinados subsecuentes. Cuando se requiere una gran resistencia, las protuberancias se pueden reforzar con 160

Procesos de Manufactura II un borde (Fig.3.69). Este borde no es benéfico para la operación de forja y deberá ser generosamente combinado con un radio amplio o un estrechamiento adecuado en el alma, según se muestra en la misma figura; esto es necesario para evitar la formación

na

de un hueco o vacío causado al entrar el metal con mayor facilidad en la protuberancia

os

ta

H

or

que en el borde.

Ac

Figura Nº 3.70

Si el alma de la pieza se debe diseñar sin protuberancias para agujeros, la mejor alternativa es el estrechamiento para incrementar el espesor de¡ alma en la periferia. Este procedimiento de diseño también reduce la presión de forja requerida, aunque

D av id

menos que con el uso de cavidades de alivio en el dado. Los estrechamientos mejoran el flujo de metal y permiten un fácil llenado de los nervios de la pieza. Cavidades en la pieza. Las cavidades se utilizan para obtener una dirección de grano

adecuada y, con mayor frecuencia, para obtener mejores propiedades mecánicas al reducir el espesor de la sección. Las cavidades en la pieza forjada, se forman con las correspondientes secciones resaltadas o "machos'; en los dados.

g

Es recomendable para alargar la vida de los dados y aumentar la rentabilidad del

In

proceso, minimizar la profundidad de estas cavidades (Fig.3.71).

161

H

or

na


ta

Figura Nº 3.71

También es adecuado utilizar radios generosos en los contornos y filos de las esquinas,

In

g

D av id

Ac

os

así como evitar las formas que obstruyen el flujo de metal (Fig.3.72).

Figura Nº 3.72 162

Procesos de Manufactura II Para las piezas con forma de recipiente cóncavo, no se recomienda que el espesor de la pared exceda el espesor del alma o base de la pieza (Fig.3.73); si la pieza terminada

ta

H

or

na

requiere de un alma delgada, puede ser maquinada después de la forja.

os

Figura Nº 3.73

Cuando alguna pieza forjada sea sometida a un proceso subsecuente de acuñación para obtener tolerancias cerradas o marcar algún logotipo, se recomienda la formación

Ac

de cavidades en la pieza para facilitar la acuñación. La cavidad reduce el área proyectada y la presión requerida, debido a que sólo las dos caras planas son

In

g

D av id

trabajadas (Fig.3.74).

Figura Nº 3.74

163

Procesos de Manufactura II Forjas dobles. Esto puede ser recomendable cuando se requiere hacer más rentable el proceso (Fig.3.75). Cuando una forma forjada imponga un empuje lateral severo sobre los dados y aumente los problemas de manufactura, una forja doble puede

D av id

Ac

os

ta

H

or

na

ayudar a balancear las fuerzas laterales.

Figura Nº 3.75

Dependiendo de¡ diseño, puede ser más económico forjar dos piezas simétricas o una

parte derecha y otra izquierda; esto último debe ser cuidadosamente anal izado, sobre

g

todo si la cantidad que se deba producir de ambas no es igual. Otra solución consiste en diseñar la pieza simétricamente para la forja y después

In

maquinar el material sobrante (Fig.3.76).

164

H

or

na


os

ta

Figura Nº 3.76

Este método elimina en ocasiones la necesidad de un segundo juego de dados. Este diseño sólo debe aplicarse si el costo total de los dados, forjas y maquinado del material

Ac

sobrante, producen un ahorro contra la forja individual de las piezas izquierda y derecha. El tamaño de los lotes de producción influye notablemente en esta evaluación. Piezas correctamente proporcionadas. Una pieza. forjada correctamente proporcionada, tiene gran influencia con su exactitud dimensional. La contracción, deformación y otros

D av id

problemas, se pueden anticipar y minimizar sus efectos con las apropiadas precauciones de diseño.

La contracción de una pieza forjada ocurre cuando ésta se enfría, desde la

temperatura de forja hasta la del medio ambiente. Esta contracción también es función del coeficiente de expansión térmica de la aleación que se esté forjando. Para evitar contracciones y deformaciones excesivas, el diseñador debe proyectar

g

piezas proporciona das y con curvas amplias; la Fig.3.77, muestra una pieza mal

In

diseñada que causará problemas dé operación y presentará contracciones y deformaciones severas que la debilitarán.

165

ta

H

or

na


os

Figura Nº 3.77

Fundamentos de diseño sobre dados de forja. La forja de un metal se produce al darle

In

g

D av id

Ac

forma en caliente entre dos dados que se cierran con una fuerza compresivo (Fig.3.78).

Figura Nº 3.78

La Fig.3.79, muestra la mitad de un dado de forja de cuatro pasos o estaciones, la 166

Procesos de Manufactura II primera estación (de doblado) preforma o forja los dobleces básicos de la pieza; en la segunda y tercera estaciones se proporciona a la pieza su forma definitiva,, en la cuarta estación, se muestra el desbarbado de la pieza (recorte de excedente de material que

D av id

Figura Nº 3.79

Ac

os

ta

H

or

na

en ocasiones se realiza en un dado independiente).

Las matrices de forja también son conocidas como dados de impresión, ya que sus cavidades son impresiones de la pieza. En forjas muy sencillas, puede ser posible prescindir de la impresión preliminar y directamente darle a la pieza su forma definitiva. Las Figs., muestran algunas características importantes de los dados o herramientas de forja que se mencionan a continuación.

g

Cavidad de alivio. Su función es alojar la mayor parte del material sobrante, para evitar esfuerzos excesivos en el dado; el metal sobrante (barba) fluye hacia las cavidades a

In

través del borde o canal de alivio. Borde de alivio. Rodea perimetralmente a la pieza en el plano de partición, su función

es permitir el escape de material excedente hacia la cuneta o cavidad de alivio, una vez que el material ha fluido por la cavidad de los dados; su espesor debe ser reducido para permitir su fácil eliminación mediante desbarbado o maquinado. El desbarbado puede 167

Procesos de Manufactura II ser en frío o en caliente. Las forjas pequeñas de acero con bajo a medio contenido de carbono, pueden ser desbarbadas en frío, las forjas de tamaño medio y grande de cualquier metal, deben ser desbarbadas en caliente.

na

Cuneta de alivio. Unida al borde de alivio, su función es alojar una película o barba de material para poder asegurar que la cavidad del dado será completamente llenada.

después del desbarbado, medido desde el cuerpo de la forja.

or

La Tabla 4.4.5 proporciona tolerancias para el tamaño del sobrante de material

H

El tamaño del sobrante debe variar desde cero hasta el valor proporcionado en la tabla mencionada, en función del peso y de la longitud mayor de la pieza. Cuando el peso y la longitud no coinciden en el mismo renglón, se debe usar el valor mayor.

ta

Planos o Bordes de alineación. Debido al calentamiento de los dados por el contacto con el metal, por la fricción causada por éste al fluir y por los impactos, no es posible

os

utilizar columnas y bujes guía, ya que debido a su mínima tolerancia de deslizamiento al expanderse por el calor se trabarían; por esta razón, se pueden utilizar bordes de

Ac

alineación (Fig.3.79) o columnas guía laterales (ver Dibujo 4.5.15 del ejemplo de este

g

D av id

capítulo) que pueden ayudar a compensar el empuje lateral cuando se resiente.

In

Para dados con ángulo de salida pequeños en la cavidad (30 o menos), se pueden utilizar pernos botadores que facilitan la extracción de piezas pesadas o simplemente para agilizar la producción, la Fig. 3.80 muestra la disposición de un perno botador.

168

H

or

na


ta

Figura Nº 3.80

Para asegurar el llenado en forjas con cavidad profunda, se pueden disponer de

D av id

Ac

os

orificios para la salida de aire (Fig.3.81), con un diámetro de .5 mm.

Figura Nº 3.81

La saliente que se forma al penetrar el metal en el orificio, debe ser removida por

g

maquinado. Los orificios se deben situar en las cavidades más profundas. Empuje lateral. Debido a la holgura ya mencionada que requieren las guías de los

In

dados, puede haber problemas de alineación entre éstos, especialmente cuando se provoca un empuje lateral por una línea de partición irregular. El empuje lateral se incremento conforme la línea de partición se inclina con respecto

al plano de forja; este último es perpendicular a la dirección de la línea de fuerza de la 169

Procesos de Manufactura II máquina. La Fig. 3.82a, muestra el problema creado por la inclinación de la línea de partición, a pesar de que esto coincide con la práctica recomendada de seguir el centro del alma.

na

Como se muestra en b de la misma figura, una solución puede consistir en disponer una pared de contracierre, aunque esto es caro y crea problemas de operación.

La solución más correcta se muestra en c, donde la parte se ha inclinado con respecto

or

al plano de forja, lo que anula el empuje. Cuando no se puede evitar el empuje lateral,

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

se puede pensar en una solución, como la que se dio en el ejemplo de este capítulo.

Figura Nº 3.82

Ángulos de salida constantes. La combinación de varios ángulos de salida, incremento 170

Procesos de Manufactura II el costo de los dados. Debido a que algunas veces las cavidades de los dados son fresadas con cortadores cónicos

na

(Fig.3.83), y éstos tienen un ángulo constante, se pueden lograr considerables ahorros

D av id

Figura Nº 3.83

Ac

os

ta

H

or

indicando un solo ángulo de salida, ya que esto implica el uso de un solo cortador.

Tolerancias en los dados o matrices de forja. las tolerancias que se mencionarán a

continuación, son de aplicación general. La tolerancia de cierre de los dados está relacionada con el espesor a lo largo y perpendicular a la línea de partición. Esta tolerancia de cierre, normalmente debe incluir los límites iniciales de compresión de la herramienta, la vida o material de la cavidad que será necesario pulir para mantener tersa y en buenas condiciones la superficie de la herramienta en producción, y la

g

tolerancia debida a la deflexión del dado que crea un engrosamiento con almas

In

delgadas.

Por lo tanto, se deben adicionar al espesor del dado y de la cavidad, dimensiones 171

Procesos de Manufactura II perpendiculares a la línea de partición, según se recomienda a continuación: A. Tolerancias de cierre para ambas mitades o dados. A Todos los espesores, ya sea

na

que la cavidad esté contenida en una o en las dos mitades de la matriz. A las dimensiones centrales a través de la línea de partición o desde el centro de la línea de partición, cuando la impresión esté en una sola mitad.

or

B. Tolerancias de cierre para una sola mitad, más una tolerancia de simetría ±.4 mm.

A las dimensiones desde la superficie a la línea de partición, cuando la impresión cuando la impresión esté en ambos dados.

H

esté en ambos lados. A todas las dimensiones centrales a la línea de partición

ta

La Tabla 4.4.6 muestra la tolerancia de cierre recomendada. Nótese que la tolerancia aplicable está determinada por el peso o por el área del plano de forja. Se debe

os

emplear la tolerancia mayor cuando el peso y el área no coinciden en la misma línea. Tolerancias dimensionales y de alineación

Ac

Algunas veces son llamadas tolerancias de longitud y ancho; usualmente se aplican a las dimensiones paralelas a la línea de partición. Estas tolerancias se basan en dos factores: la contracción de la pieza al enfriar y el desgaste y deformación que van

D av id

sufriendo los dados.

La Tabla 4.4.7., muestra las tolerancias por contracción y las superficiales, para

alineaciones forjabas de aluminio, estas últimas corresponden al factor de desgaste y

In

g

deformación de los dados.

172

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


La Fig.3.84, muestra la aplicación de estas tolerancias; las dimensiones de la línea de

g

partición hacia una superficie, son afectadas por ambos tipos de tolerancias, las dimensiones entre dos superficies son afectadas por la tolerancia de contracción y por

In

dos veces la tolerancia de superficie.

173

ta

H

or

na


os

Figura Nº 3.84

El desgaste del molde es resultado básicamente del pudo que se efectúa para mantener tersa la superficie de los dados. La tolerancia de alineación es la máxima

D av id

forja (Fig.3.85).

Ac

variación de desplazamiento lateral entre los dos dados que componen una matriz de

Figura Nº 3.85

g

La Tabla 4.4.8., indica las tolerancias aceptables de desalineamiento para piezas

In

forjadas de aluminio, en función del peso y de su longitud total.

174

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


175


EJEMPLO SOBRE FORJA

na

3.9

or

Definición del problema. Una empresa realiza el montaje automático de jaladera y cuerpo de un deslizador de cierre para ropa; la secuencia de operación se muestra

gráficamente en la Fig. 3.86 Una herramienta importante de la máquina es el

H

portadeslizador (Dibujo 4.5.2) y sus funciones se describen a continuación:

Recibe el cuerpo en la primera estación de trabajo y penetra en su interior

ta

posicionándolo. Permite que la jaladera se deposite en el cuerpo en la segunda estación de trabajo. Evita que el cuerpo se cierre durante la operación de doblado o

os

ponchado del puente en la 3a. estación de trabajo. Mediante el seguidor y la leva de la

Ac

4a. estación, permite la expulsión del deslizador de la máquina.

La Fig.3.87. muestra en detalle, la posición del portadeslizador dentro del cuerpo y la acción de la fuerza de cierre para el doblado del puente, que es necesario para

D av id

asegurar el ensamble entre cuerpo y jaladera. La aguja o portadeslizador, se desplaza radialmente mediante una leva central y el seguidor y la leva de expulsión (Fig.3.86). El problema del montaje automático radica en las frecuentes roturas de la aguja, que suceden en las estaciones 1 a. y 3a. por las siguientes razones: En la 1 a. estación, cuando el cuerpo no se introduce en la aguja debido a rebabas, al girar la aguja de la

In

g

1a. a la 2a. estación, el cuerpo en posición incorrecta ocasiona la rotura de la aguja.

176

Ac

os

ta

H

or

na


D av id

Figura Nº 3.86

En la 3a. estación, la pequeña flexión de la aguja, en cada operación de ponchado,

ocasiona que después de cierto número de ciclos la aguja se fracture. Debido a que es un proceso de alta producción, la máquina puede ensamblar hasta 120 000 deslizadores en 20 h de trabajo por día (3 turnos). El consumo mensual de portadeslizadores llega a ser en ocasiones hasta de 150

g

piezas, lo que repercute en la rentabilidad del proceso dado y en los costos de

In

fabricación (maquinado) de los mismos. Ante esta situación, los ingenieros en diseño de herramental decidieron intervenir en el problema.

177


Planteamiento de soluciones. la primera solución consistió en la modificación de la

na

leva central del plato de la máquina para "esconder" a la aguja en la zona de

alimentación del cuerpo. Los portadeslizadores se maquillaban de un acero AISI 0-1,

or

que tiene buena resistencia a los esfuerzos.

La segunda solución, consistió en la adición de radios de curvatura en las esquinas

H

críticas de la aguja, Dibujo 4.5.6 (en este ejemplo los dibujos serán acotados en pulgadas).

ta

Lo anterior contribuyó parcialmente, a solucionar el problema aunque la persistencia del mismo indujo a pensar en la necesidad de emplear un proceso de manufactura orientación de las fibras.

os

como la forja, que proporciona a las piezas una tenacidad máxima, debido a la

Ac

A pesar de que las agujas se maquillaban aprovechando la orientación de las fibras en la solera debido al proceso de laminación a que son sometidos los aceros, las interrupciones de la fibra en la zona crítica debilitaban la pieza. la Fig. muestra la orientación de las fibras para un portadeslizador maquinado y otro forjado. Rediseño de

D av id

la pieza en función del proceso de forja. A partir del Dibujo 4.5.6 y en base a las recomendaciones de diseño de la sección precedente, se muestra en los Dibujos 4.5.8 y 4.5.9, la pieza que se obtendría en la cavidad de la matriz de forja; se requeriría de un rectificado y del barrenado del oríficio para dejar el portadeslizador con las dimensiones mostradas en el Dibujo 4.5.10; se debe procurar que las piezas obtengan sus dimensiones definitivas en las zonas críticas desde la forja para evitar maquinados que

In

g

puedan debilitarlas; el dibujo 4.5.9 muestra esta zona.

178

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


179

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


180

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


181

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


182

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


183

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


184

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


185

Procesos de Manufactura II Diseño de la matriz de forja. La empresa posee una prensa mecánica de excéntrico, con una capacidad de tres toneladas métricas y carrera de 44.5 mm (1-3/4 ") que se

na

espera poder usar para el forjado de las piezas. Este es un dato importante, ya que puede actuar como una limitante, cuando se usan

prensas mecánicas de impacto, se reproduce mejor la impresión del dado superior

or

debido a la rapidez del ciclo. Los interrogantes que surgen al iniciar el diseño son:

Selección del acero para la forja.

2

Cálculo de la fuerza requerida para la forja.

3

Establecimiento de la operación de forja y ubicación del plano de partición.

4

Dimensiones y preformado del trozo de metal que se va a introducir en las

ta

H

1

os

cavidades de la matriz de forja. 5

Extracción de la pieza del dado.

6

Selección del acero para la herramienta y dimensionamiento de los dados en

Ac

función de la fuerza compresivo, del espacio disponible en la prensa y de la temperatura de operación.

Sujeción de la matriz en la prensa.

8

Empuje lateral.

In

g

D av id

7

186

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


187

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


188

Procesos de Manufactura II A continuación se muestran las soluciones planteadas para cada interrogante. 1a. Interrogante Según la literatura, las piezas forjadas pueden ser de un acero AISI 8620, con las

na

siguientes características:

Resistencia última a la tensión: s :71 kg/mm2 Resistencia última al corte: t : .42.6

kg/mm2 Composición: .2% C, .25% Si, .8% Mn, .6% Ni, .2% Mo,.5% Cr Temperatura de

or

forja: 1100-850 °C, Recocido: 650-750 °C 2a. Interrogante

H

Ahora bien, identificando el proceso con el de forja convencional y considerando la temperatura de forja más baja para este acero (850 °C), en la Gráfica 4.5.1. se puede observar que la presión requerida para deformar el material es de 24 kg/mm2; su

ta

forjabilidad es de 2 en la escala del 1 al 5 e n la Tabla 4.1.1.

Con estos datos se puede calcular la magnitud de la fuerza de forja, como se indica a

os

continuación:

Fuerza requerida = (resistencia a la plano de partición)

Ac

deformación) Para la Forja X (área del

Por lo tanto Fuerza para la forja = (24 kg/mm2) (335 mm2) = 8040 kg. La fuerza requerida para la forja sobrepasa la capacidad de la prensa (3 toneladas);

D av id

las soluciones a este problema pueden ser: reducir el área de forja o utilizar una prensa de mayor capacidad.

Debido a que no se cuenta con otra prensa, se tendrá que reducir el área de forja.

Como se indicó al inicio del ejemplo, la zona crítica del portadeslizador es donde hay cambios de sección.

Para facilitar el proceso, únicamente se requiere forjar 113 del área total de la pieza,

como se muestra el Dibujo 4.5.8.

g

La fuerza necesaria para forjar esta nueva área es Fuerza de forja = (24 kg/mm2)

In

(5.97 mm) (16,14 mm) = 2,312 kg. Esta fuerza no rebasa la capacidad de la prensa. 3a. Interrogante Tomando en cuenta que se forjará con una prensa de poca capacidad, el proceso se

dividió en los dos pasos mostrados en la Fig. 4.5.11, donde también se señala la ubicación del plano de partición para cada paso. El flujo del material excedente se canalizará en ambos pasos, hacia el extremo de la cavidad. 189

Procesos de Manufactura II Para dimensionar estas cavi dades, se partirá del hecho que el volumen de la pieza es el mismo antes y después de la forja, aunque se dará un pequeño volumen adicional a las cavidades del dado para evitar que la prensa sufra sobrecargas, las que ocurrirían

na

durante el paso del carro por el punto muerto inferior, al impedir el material excedente el

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

cierre de las mitades de la matriz.

190

Procesos de Manufactura II Lo anterior es la principal, ventaja de los martillos sobre las prensas, ya que en los primeros no afecta su funcionamiento (caída libre o activada del martillo) el hecho que

na

se formen barbas con el excedente de material . Por esta razón, cuando se forja con prensas, debe ponerse mayor atención a la relación entre las dimensiones y la forma del producto y el trozo de metal inicial.

or

Con respecto a la 4a. interrogante, dimensiones y preformado del metal, se debe

considerar el coeficiente de dilatación térmica, que es de .000126 mm/mm °C para los

H

metales ferrosos (0.000007 plg/plg ° F).

La fig. 4.5.12, muestra la forma y dimensiones del trozo de metal, el cual se introducirá

ta

aprovechando la orientación del grano para facilitar la forja.

Por lo que respecta a la 5a. interrogante, se espera no tener problemas al extraer la

os

pieza mediante tenazas, debido a la poca profundidad del dado y a los ángulos de salida empleados (5°); por esta razón se omiten los pernos botadores. 6a. Interrogante Selección del acero para la herramienta y dimensionamiento de los dados, en función

Ac

de la fuerza compresiva, espacio disponible en la prensa y temperatura de la operación. Se debe enfatizar sobre las condiciones de trabajo de un dado de forja: elevadas fuerzas de impacto y compresión en el caso de los martillos de forja o elevadas fuerzas

In

g

D av id

de compresión en el caso de las prensas.

191

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


192


Recordando la Tabla 2.4.1 y consultando la literatura correspondiente, se determinó que el acero para herramienta más idóneo para la fabricación de la matriz de forja es el

na

AISI H-13. Además, el manual de un fabricarte de aceros proporcionó los siguientes datos:

Dureza para dados de forja: 44-50 RcTemperatura de temple:1050-1100

or

°CTemperatura de revenido: 600-625 °C durante 2h.

La Gráfica 4.5.2. muestra la resistencia a la tracción de este acero en función de la

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

temperatura.

193

Procesos de Manufactura II Nótese que la temperatura de operación de la matriz, no deberá sobrepasar los 525 °C para evitar que disminuya su dureza (ver Gráfica 4.5.3); la resistencia a la tensión en el límite de ruptura es de a, 106 kg/mm2; y su correspondiente resistencia a la

D av id

Ac

os

ta

H

or

na

compresión es de a, =28.5 kg/mm2 (obtenido de las tablas de los fabricantes de acero).

Este último esfuerzo es el límite elástico a la compresión. De lo descrito, se observa que la herramienta estará sometida a un esfuerzo de 24 kg/mm2 (resistencia a la

g

deformación de¡ acero de la pieza), el cual es inferior a la resistencia a la compresión del acero de la matriz de forja (28.5 kg/mm2). La mesa de la prensa que se utilizará se

In

muestra en el lay-out del Dibujo 4.5.13. En base a este lay-out y a las dimensiones de la pieza, se realizó el boceto preliminar de la Fig. 4.5.14, en éste se señalan las cotas de las envolventes de los dados de forja.

194

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


195

Ac

os

ta

H

or

na


D av id

Ahora bien, en base a la Fig. 4.5.14, el volumen del dado inferior de forja es de: V = (3.5") (2.0") (3.0") = 21.0 plg = .00034 m Recordando que la densidad del acero es de 7850 kg/m3 se obtiene una masa del dado de 2.7 kg.Esta masa servirá para determinar la temperatura de operación del dado de forja, en función del calor que le

In

g

será transmitido por la pieza.

196

os

ta

H

or

na


Ac

La Gráfica 4.5.4 intenta mostrar el flujo de calor durante varios ciclos del proceso, suponiendo una duración de 1 min por ciclo. El flujo de calor se obtiene mediante la siguiente relación:

D av id

Q = KA ( T2 -T1) / L

Donde

Q = Flujo promedio de calor hacia el dado.

K = 32.8 kcal/h m °C = coeficiente de transferencia de calor por conducción para el

acero.

A = Área de la forja = .00011 m2. T1 = Máxima temperatura de forja=1100 °C T2 = Mínima temperatura de forja = 850 °C.

g

L = Espesor del dado de forja =.051 m.

In

Sustituyendo

197

Procesos de Manufactura II Utilizando la relación siguiente: Q = MCP( T2 -T1) Se obtendrá el incremento de l'a temperatura del dado de forja, sustituyendo y

or

na

suponiendo un intervalo de una hora se tiene:

H

Esta última temperatura es menor que la temperatura máxima de operación del dado. Además, deberán tenerse en cuenta las siguientes consideraciones que abaten la temperatura final del dado:

ta

 El flujo de calor de la pieza hacia el dado superior.

 El flujo de calor del dado inferior hacia la placa base y hacia la mesa de

os

prensa.

ambiente.

Ac

 El flujo de calor por convección y radiación de la matriz hacia el medio

 El enfriamiento del dado debido a la lubricación del mismo en cada ciclo.

D av id

 La literatura de forja recomienda usar como lubricantes:  Aceite para cilindros de máquinas de vapor, o cebo.  Se utilizará un aceite de las siguientes características:  Viscocidad en grados Engler a 100 °C 6.5 Viscocidad en grados Saybolt = 226

In

g

 Punto de inflamación en crisol abierto 315 °C Punto de congelación = 0 °C  Peso específico en g/cm3 = 0.9  Un aceite comercial, cuyos parámetros se asemejan a los citados arriba, es el cylinder 175-p de Quaker State.

Una de las razones para no poner enfriamiento forzado a la matriz, como en los procesos de fundición a presión o inyección de plásticos, es que mientras no se rebase 198

Procesos de Manufactura II la temperatura crítica de los dados, no hay peligro de dañar al producto o dificultar la operación de¡ herramental. incompletas, degradación del material plástico, etc. 7a. Interrogante

na

En los procesos señalados, las variaciones de temperatura pueden originar piezas Sujeción de la matriz en la prensa. Esto se hará de acuerdo a la forma convencional para sujetar cualquier troquel.

or

El dado superior se diseñó con una espiga a la medida de la cavidad del carro de la prensa; el dado inferior se fijará mediante sujetadores convencionales (clamps).

H

Empuje lateral. Debido a que en ambos pasos de forja hay planos inclinados, se presentará dicho empuje.

Se espera que éste actúe principalmente sobre el soporte del portadeslizador, sin

ta

embargo, se piensa en dos opciones para contrarrestar su efecto en los dados, la primera consistiría en un borde maquinado en ambos dados y la segunda en la adición

os

de columnas guía laterales (ambas opciones se muestran en la Fig.). Por simplicidad de fabricación y por guiar en dos ejes a la matriz, se seleccionó la

Ac

segunda opción.

Dibujo de conjunto de la herramienta. Una vez analizadas y resueltas las interrogantes, se procedió a elaborar el Dibujo 4.5.15,* el cual muestra, a escala, la configuración de la matriz deforja y desbarbado. Este dibujo es un paso obligado para

In

g

D av id

proceder a realizar los planos de fabricación de la herramienta.

199

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


200


H

ta

ESTIRADO

or

na

CAPITULO IV

4.1 ESTIRADO DE ALAMBRES Y BARRAS

os

En el contexto de los procesos de deformación volumétrica, el estirado es una operación donde la sección transversal de una barra, varilla o alambre se reduce al tirar del material a través de la abertura de un dado como se muestra en la figura 4.1. Las

Ac

características generales del proceso son similares a la extrusión, la diferencia es que en el estirado el material de trabajo se jala a través del dado, mientras que en la extrusión se empuja a través del dado. Aunque la presencia de esfuerzos de tensión es obvia en el estirado, la compresión también juega un papel importante ya que el metal

D av id

se comprime al pasar a través de la abertura del dado. Por esta razón, la deformación

In

g

que ocurre en estirado se llama algunas veces compresión indirecta.

Figura Nº 4.1 La diferencia básica entre el estirado de barras y el estirado de alambre es el

diámetro del material que se procesa. El estirado de barras se refiere al material de 201

Procesos de Manufactura II diámetro grande, mientras que el estirado de alambre se aplica al material de diámetro pequeño. En el proceso de estirado de alambres se pueden alcanzar diámetros hasta de 0.03 mm. Aunque la mecánica del proceso es la misma para los dos casos, el

na

equipo y la terminología son de alguna manera diferentes.

El estirado de barras se realiza generalmente como una operación de estirado simple, en la cual el material se jala a través de la abertura del dado. Debido a que el

or

material inicial tiene un diámetro grande, su forma es más bien una pieza recta que enrollada. Esto limita la longitud del trabajo que puede procesarse y es necesaria una

H

operación tipo lote, Por el contrario, el alambre se estira a partir de rollos de alambre que miden varios cientos (o miles) de metros de longitud y pasa a través de una serie de dados de estirado. El número de dados varía entre cuatro y doce. El término estirado

ta

continuo (en inglés, continuous drawing) se usa para describir este tipo de operación, debido a las grandes corridas de producción que pueden realizarse con los rollos de

Ac

verdaderamente continua.

os

alambre, ya que pueden soldarse a tope con el siguiente rollo para hacer la operación

En una operación de estirado, la modificación en el diámetro del material de

D av id

trabajo se da generalmente por la reducción de área definida como sigue:

Donde

r = reducción de área en el estirado 2

Ao = área original del trabajo, (mm ) 2

Af = área final, (mm ).

g

La reducción de área se expresa frecuentemente como un porcentaje.

In

En el estirado de barras, estirado de varillas y en el estirado de alambre de

diámetro grande para operaciones de recalcado y forjado de cabezas se usa el término draft para denotar la diferencia de tamaños antes y después de procesar el material de trabajo, El draft es simplemente la diferencia entre el diámetro original y final del material: 202

4.2

or

na


MECÁNICA DEL ESTIRADO

H

Si no ocurre fricción o trabajo redundante en el estirado la deformación real puede

ta

determinarse como sigue:

os

Donde Ao y Af son las áreas original y final de la sección transversal del material de trabajo, como se definieron previamente; y r = reducción del estirado.

Donde

Ac

El esfuerzo que resulta de esta deformación ideal está dado por:

D av id

Yf = esfuerzo de fluencia promedio, basado en el valor de la deformación. Debido a que la fricción está presente en el estirado y aunque el metal de trabajo

experimenta deformación no homogénea el verdadero esfuerzo es más grande que el proporcionado por la ecuación. Además de la relación Ao/Af, otras variables que tienen

influencia en el esfuerzo del estirado son el ángulo del dado y el coeficiente de fricción en la interfase trabajo-dado. Se han propuesto numerosos métodos para predecir el

g

esfuerzo de estirado con base en los valores de estos parámetros. Presentarnos a

In

continuación la ecuación sugerida por Schey:

203

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


La potencia requerida en una operación de estirado es la fuerza multiplicada por la velocidad de salida del trabajo.

g

EJEMPLO 4.1 Esfuerzo y fuerzas en el estirado de alambre Un alambre se estira a través de un dado con un ángulo de entrada = 15º. El diámetro inicial es 2.5 mm y el

In

diámetro final es 2 mm. El coeficiente de fricción en la interfase trabajo-dado es 0.07. El metal tiene un coeficiente de resistencia K = 207 MPa y un exponente de endurecimiento por deformación n = 0.20. Determine el esfuerzo de estirado y la fuerza de estirado en esta operación. 204

Procesos de Manufactura II Solución: Los valores de D y Lc para la ecuación se pueden determinar usando las

or

na

ecuaciones

os

ta

H

Entonces:

D av id

Ac

Se calculan las áreas respectivas antes y después del estirado y se obtienen:

g

La deformación real resultante ecuación.

In

El esfuerzo de fluencia promedio en la operación se calcula ecuación:

205


na

El esfuerzo de estirado está dado por la ecuación:

or

Finalmente, la fuerza de estirado es el esfuerzo multiplicado por el área de la sección

H

transversal del alambre de salida:

Reducción máxima por pase Una pregunta que se le puede ocurrir al lector es

ta

¿por qué se necesita más de un paso para alcanzar la reducción deseada en el estirado de alambre?, ¿por qué no se hace la reducción entera en un solo paso como se hace

os

en la extrusión? La respuesta es clara, de las ecuaciones precedentes, si la reducción se incrementa, también los esfuerzos de estirado aumentan. Si la reducción es lo suficientemente grande, los esfuerzos de estirado excederían la resistencia a la fluencia

Ac

del material que sale. Cuando esto pasa, el alambre estirado simplemente se alarga, en lugar de que el nuevo material se comprima a través de la abertura del dado. Para que el estirado de alambre sea exitoso, el esfuerzo máximo de estirado debe ser menor que

D av id

el esfuerzo de fluencia del material que sale.

Es fácil determinar este esfuerzo de estirado máximo y la posible reducción

máxima que puede hacerse en un paso bajo ciertas suposiciones. Supongamos un metal perfectamente plástico (n = 0), sin fricción y sin trabajo redundante. En este caso ideal, el esfuerzo de estirado máximo posible es igual a la resistencia a la fluencia del material de trabajo. Si expresarnos esto usando la ecuación para el esfuerzo de estirado bajo condiciones de deformación ideal, ecuación, e igualamos Yf = Y (porque n

In

g

= 0):

Esto significa que In (Ao/Af) = In (1/1-r) = 1. Entonces Ao/Af = 1/1-r deben ser igual a los logaritmos naturales base e. Es decir, la deformación máxima posible es 1: 206


or

na

La relación máxima posible (le área está dada por:

os

ta

H

y la reducción máxima posible es:

El valor dado por la ecuación, se usa frecuentemente como la reducción teórica

Ac

máxima posible en un solo paso, aun cuando éste ignora: 1) los efectos de fricción y del trabajo redundante que podrían reducir el valor máximo, 2) el endurecimiento por deformación que podría incrementar la reducción máxima posible, debido a que el alambre a la salida podría ser más resistente que el metal inicial. En la práctica, las

D av id

reducciones por paso están muy por debajo de los límites teóricos. Los límites superiores en la práctica industrial parecen ser reducciones de 0.50 para estirado simple de barras y 0.30 para estirado múltiple de alambre

4.3

ANÁLISIS DEL ESTIRADO DE ALAMBRES Y BARRAS

En esta sección revisaremos la mecánica del estirado de alambres y barras, y el

g

cálculo de esfuerzos y fuerzas en el proceso. Consideraremos también la posibilidad de

In

grandes reducciones en las operaciones de estirado.

207

ta

H

or

na


Índice

Conceptos generales sobre la conformación plástica.



Mecanismos de la deformación.



Efectos de la temperatura en la conformación.



Trabajo en caliente. Trabajo en frío.



Comparaciones de trabajos en frío y en caliente.



Fundamentos del trefilado.



Fuerza de tiro necesaria.



Análisis de tensiones durante el trefilado.



Esfuerzo total. Cálculo de σrI. Cálculo de σrII. Influencia de la fricción. Cálculo de

D av id

Ac

os



σrIII, Influencia del cizallamiento no uniforme. Tensiones totales. Centro del alambre.



Esquema del proceso de trefilado. Tratamiento térmico. Preparación superficial. Decapado Mecánico, Químico. Preparación superficial.

In

g



Maquinaria. Caso de caños y barras. Caso de alambres. Maquinas con acumulación. Maquinas con deslizamiento. Máquinas de tiro recto.



Recubrimientos superficiales.



Trafilas.



Ángulos de trabajo 2α.



Materiales de los núcleos. Acero. De polvos metálicos aglomerados en caliente. 208

Procesos de Manufactura II De diamante. Referencias. En éste, el diámetro de una pieza de metal cilíndrica es reducida jalándola a través

na

de un agujero cónico que es el perfil interno de un dado de estirado. El metal cilíndrico alimentado es inicialmente ahusado de manera que salga a través del orificio del dado y pueda ser sujetado para el estirado. El equipo necesario puede encontrarse desde un

or

simple banco de estirado para trabajo intermitente, hasta bloques múltiples para operación continua.

H

El bloque de estirado consiste de tres partes un sujetador o cabrestante para sujetar el arrollamiento de varilla lista para estirarse, el dado que es el que ejecuta realmente la

ta

reducción y el bloque de estirado que suministra la carga y energía para la reducción;

D av id

Ac

os

éste también acumula, enrollado, el alambre ya estirado.

In

g

Conceptos generales sobre conformación plástica En todas las operaciones de conformado de metales las piezas se deforman

permanentemente y algunas veces en gran proporción. El objeto de una teoría de conformado es poder calcular, dado un grado de conformación deseado, las fuerzas necesarias para lograrlo. Si tomamos como ejemplo una de las formas más sencillas de aplicar cargas, 209

Procesos de Manufactura II una fuerza de tracción unidireccional, y la analizamos, podemos extraer algunas

ta

H

or

na

conclusiones. Veamos, por ejemplo, un diagrama de tracción de un metal dúctil

os

Hay dos zonas que se diferencian netamente entre sí.

Zona elástica: Es la zona recta en la cual los esfuerzos son proporcionales a las deformaciones; se cumple la ley de Hooke y es zona Clásica de trabajo en ingeniería

Ac

para el diseño de piezas y estructuras ya que, retirando la carga, el material vuelve a sus dimensiones originales.

Zona plástica: Superado el valor de Y estamos con deformaciones permanentes; es decir, retirada la causa que originó el alargamiento, el material no retorna a su forma

D av id

inicial, sino que retiene un alargamiento o deformación permanente, el cual es igual al alargamiento producido menos la recuperación elástica. Existe una primera parte del diagrama en la cual las deformaciones crecen prácticamente sin el incremento de las fuerzas aplicadas. Luego, para continuar deformando el material es necesario que las fuerzas aplicadas aumenten su valor. Si tenemos en cuenta la estricción, vemos que las fuerzas por unidad de superficie crecen

g

hasta producir la rotura de la probeta.

In

Mecanismos de la deformación Cuando los materiales metálicos estén sujetos a fuerzas que excedan su limites elásticos, tendrán deformaciones permanentes; dicho de otra manera el material fluye en direcciones que dependen de las fuerzas aplicadas. 210

Procesos de Manufactura II La explicación de estos mecanismos de deformación debemos buscarla en la naturaleza cristalina de los metales. En estas agrupaciones cristalinas la deformación plástica se produce por el desplazamiento de una laminas de cristal en relación a

na

otras. El movimiento se localiza en una serie de planos o por lo menos de hojas muy delgadas, en forma semejante a los naipes cuando se deforma una baraja.

La parte elástica de la curva está dada por una rotación o por pequeñas

or

deformaciones de los cristales, los cuales vuelven a su posición una ves que cesa la causa que los originó.

H

Cuando los esfuerzos superan el limite elástico se producen desplazamientos a la

largo de ciertos planos cristalográficos (planos de deslizamiento) y dentro de ellos, en ciertas direcciones (direcciones de deslizamiento). Como resultado de estos

ta

deslizamientos se producen obstrucciones por el bloqueo de las mencionadas direcciones de deslizamiento y debido a la presencia de otros cristales adyacentes.

os

Por este motivo se produce una continua reducción de la capacidad de deformación plástica remanente y un cambio en las propiedades físicas del metal.

Ac

En efecto, de estos bloqueos es que incrementándose los esfuerzos externos necesarios para deformar el metal llegará un momento en que, aplicando nuevos esfuerzos, el efecto será producir la rotura del material.

D av id

Efectos de la temperatura en la conformación. Si tomamos un material conformado y lo calentamos se produce a determinadas temperaturas un proceso de recristalización, cuyo resultado es una completa redistribución de los átomos del metal que forman nuevos cristales y causando como consecuencia la eliminación total de la acritud obtenida por la conformación. Esta recristalización se produce producir inmediatamente después de la conformación (trabajo en caliente) o con un tratamiento térmico posterior a la deformación (trabajo en

g

frío). Estos se podrían definir de la siguiente manera.

In

Trabajo en caliente. Es aquella conformación que se produce en condiciones tales de temperatura y velocidad que tienen lugar simultáneamente la deformación y la restauración (o recristalización). Por ejemplo, entre los rodillos de laminador. 211

Procesos de Manufactura II Trabajo en frío. Un metal se conforma en frío cuando no se eliminan las perturbaciones producidas

na

durante el proceso. Dicho de otra forma, no se elimina el endurecimiento por deformación y por esta razón, la deformación total que puede darse es menor que la

que se conseguirá trabajando en caliente, a menos que dicho endurecimiento se

or

elimine tratamientos térmicos intermedios.

H

Comparaciones de trabajos en frío y en caliente.

El termino “comparación” que se emplea en el título es muy relativo ya que las

ta

finalidades de un trabajo u otro son generalmente diferentes.

os

El trabajo en caliente es siempre una operación primaria (a pesar de que puede ser una final), cuyo objeto es romper las estructuras arborescentes de los metales colados. Al mismo tiempo y como consecuencia de la disminución del límite elástico con la

Ac

temperatura, la energía necesaria para el proceso es bastante menor. En cambio los trabajos en frío son operaciones finales y se puede aprovechar en muchos casos, no sólo el cambio de forma sino el aumento de resistencia producido por el proceso, conservando todavía una adecuada ductilidad para el uso.

D av id

Desde el punto de vista del producto obtenido, se puede decir lo siguiente:

1) Dado el trabajo en caliente es para la mayoría de los metales a temperaturas bastante

2) Trabajando en frío, el mayor limite elástico obliga a disponer de mayor potencia para la deformación. Dado que se produce un aumento de la resistencia y una disminución de la ductilidad, el producto se puede romper antes de alcanzar la forma

In

g

y el tamaño final deseados. Por ello es que el trabajo en frío se debe ajustar a cilio de trabajo, recuperación de estructura y trabajo nuevamente, tal como indican los esquemas

212

H

or

na


Por otro lado, al no existir los problemas de elevadas temperaturas, las tolerancias dimensionales son bastante menores y la terminación superficial es muy superior. Un

ta

alambre de Ø5mm tiene una tolerancia admitida de ±0,05mm. También se pueden reducción de la ductilidad. 4.3

os

obtener productos con una mayor resistencia a la original, si bien a costa de una

FUNDAMENTOS DEL TREFILADO.

Ac

El proceso de trefilado es una forma de conformar metales por compresión indirecta. El material, cuyo punto se afino previamente, se introduce en una herramienta de forma

In

g

D av id

cónica y tirando a través del mismo se produce la conformación.

213


Tenemos, por lo tanto, una serie de variables en el proceso que debemos considerar, tanto para calcular los esfuerzos en el equipo como para poder prever que variaciones

na

introducimos en nuestro proceso en el material conformado. En definitiva, necesitamos estudiar lo siguiente: b) qué influencia tiene el ángulo alfa; c) fuerzas de rozamiento y su influencia sobre el proceso;

H

d) influencia de la reducción del área total en el proceso; y

or

a) qué fuerza de tiro precisamos;

e) Comportamiento de las diferentes estructuras metalográficas en el mismo.

ta

Como es fácil deducir, gran parte de las variables involucradas tiene relación con la forma del material a trafilar. Por lo tanto, los desarrollo que haremos a continuación se

Ac

os

refieren a secciones circulares, que son las más comúnmente trafiladas.

Fuerza de tiro necesaria.

La conformación se realizó en la hilera o trafila, estando al mismo tiempo bajo la acción

D av id

de la fuerza P, que actúa sobre el alambre, y la presión transversal Q, que surge en el como trefilado como fuerza re reacción. Esta fuerza Q no actúa perpendicularmente a

las paredes sino que forma un cierto ángulo (debido al rozamiento) de forma tal que

In

g

siendo el semiángulo de la tobera, podemos plantear la siguiente relación:

214

os

ta

H

or

na


Ac

Para los valores habituales en trafilas de ,

con adecuada

lubricación, la fuerza Q es cuatro a siete veces mayor que P.

D av id

En esas condiciones, se debe cumplir en cualquier punto de la tobera que .

Este valor

varía a la entrada y a la salida de la trafila pero las reducciones

g

habitualmente usadas en alambres, podemos decir

In

siendo

 la resistencia media a la deformación.

Por otra parte y como primera aproximación, podemos decir

215


na

área de contacto.

or

siendo

os

y, dado el valor de los ángulos intervinientes,

ta

H

En esas condiciones y reemplazando valores, podemos escribir

D av id

Ac

coeficiente de frotamiento. Entonces,

Con los valores habituales de una hilera de acero

y 

, se puede estimar

Esta fórmula da resultados suficientemente aproximados como para estimar la fuerza

g

de tiro de cada hilera. Si tenemos en cuanta la velocidad de trefilado y el rendimiento

In

mecánico, podremos estimar la potencia para la operación.

216

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


ANÁLISIS DE TENSIONES DURANTE EL TREFILADO. La forma de cálculo anterior, si bien da datos sobre esfuerzos totales, no permite analizar qué pasa con el material durante el proceso. Tomando siempre como base una sección circular, podemos analizar lo siguiente:

g

a) Tensiones debidas al cambio de forma geométrica.

In

Un cierto volumen de material I pasa a través de la hilera y se transforma en un cierto volumen II con distinto diámetro. Este caso es fácil de analizar; se suele tener en cuanta el criterio de fluencia de la máxima tensión cizallante de forma tal que en cada punto de la mesa que fluye se debe cumplir 217


es la tensión de fluencia del material en un ensayo de tracción.

na

Donde

b) Tensiones debidas a la fricción.

aumentando los valores del esfuerzo de tiro.

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

incremento de la tensión

or

Las fuerzas de fricción que se presentan entre la pared de la tobera y el alambre dan un

218

Procesos de Manufactura II c) Tensiones debidas al cizallamiento no uniforme. Por la acción de las fuerzas de rozamiento actuantes no sucede que una sección I pase a ser una sección II. Las mencionadas fuerzas ocasionan que las secciones cercanas a

na

la pared de la tobera sean detenidas relativamente respecto a las secciones próximas al centro del material, tomando las secciones consideradas una forma convexa.

Se han hecho numerosos ensayos de cortar secciones circulares por la mitad y trazar

or

cuadriculas en ellas. Luego se procede a trafilar y las deformaciones obtenidas son

Ac

os

ta

H

similares a las dibujadas.

La magnitud de este cizallamiento no uniforme depende fuertemente del ángulo del

D av id

cono de la hilera; es decir, a mayores ángulos, mayores deformaciones. Esfuerzo total.

Tal cual como fue planteado en los párrafos anteriores, el esfuerzo total longitudinal se

g

compone de tres sumandos:

In



Cálculo de Si planteamos en esta primera aproximación el equilibrio de fuerzas en la dirección 219


D av id

Ac

os

ta

H

or

na

axial, podamos decir para el anillo indicado en la figura

Como el material está fluyendo, se debe cumplir punto a punto que

In

g

Simplificando y reduciendo a una sola variable, la siguiente ecuación diferencial es:

cuya ecuación nos conduce a

220


Para poder integrar esa ecuación nos bastaría conocer la relación que vincula a con r. Para las relaciones habituales de reducción en los procesos se puede tomar

or

na

como un promedio y entonces considerarlo constante con lo que se obtiene

Dada la aparición del cuadrado del diámetro es muy común trabajar con la relación de

ta

H

secciones



os

Es interesante observar que aun en estas condiciones tan teóricas ya se plantea un límite máximo, por supuesto inalcanzable prácticamente para deformación en una sola

Ac

pasada.

D av id

Definiendo q como reducción de sección

Cálculo de

Influencia de la fricción.

g

Para estimar las fuerzas debidas al rozamiento, una de las formas sería introducir el

In

valor 

en la ecuación diferencial plantea anteriormente, y resolverla. En el libro de

Dieter, “Metalurgia Mecánica”, se encara una solución de este tipo. Pero con una serie de simplificaciones para el caso de secciones circulares, se puede llegar a resultados útiles. 221


 son varias veces mayores que las 

y cumpliéndose

, podemos considerar que

punto a punto la condición de cizallamiento

por unidad de sección las fuerzas de rozamiento tienen un valor

y están

or

aplicadas en la sección media.

na

Dado que las tensiones

D av id

Ac

os

ta

H

Con estas suposiciones, la fuerza proyectada que se opone al movimiento resulta ser:

In

g

Por lo tanto, para tomarlo como resistencia específica, lo dividimos por la sección media

Si consideramos el desarrollo en serie de 222




 Influencia del cizallamiento no uniforme.

H

Cálculo de 

or

na

y despreciamos los términos superiores a los cuadrados podemos poner

Las demostraciones y la parte matemática de los siguientes desarrollos se encuentran

ta

en un artículo de la revista “Alambre” de junio de 1952. Dicho artículo se denomina “Fuerzas y Tensiones en el Estirado de Alambres”, por el Ing E. Siebel. Aquí nos

In

g

D av id

Ac

os

limitaremos a extraer conclusiones en forma más o menos intuitiva.

La deformación se produce de forma tal que algunas capas del material son retardadas (las más cercanas a la pared de la tobera) y otras aceleradas (las centrales). Esto causa dos efectos: a) aumento de la resistencia aparente a la confirmación de forma tal que en promedio se llega a un valor  223

Procesos de Manufactura II Al mismo tiempo en el centro del alambre se producen sobretensiones dando como

Ac

os

ta

H

or

na

resultado la alteración del diagrama de tensiones.

Esta alteración se produce porque un infinitésimo antes de entrar a la tobera de conformación la fuerza externa es nula, por lo tanto

D av id

Pero al existir deformación nos demuestra que

no tiene una distribución igual en la

sección y, por lo tanto, se incrementa en el centro del alambre. En el centro se llega al siguiente valor:

Tensiones totales.

In

g

Tendremos entonces

Si lo graficamos en función del ángulo, obtenemos gráficos de la siguiente forma

224

ta

H

or

na


os

Por lo tanto, los esfuerzos menores de tiro se consiguen con ángulos entre 6° y 12 °. Centro del alambre.

D av id

siguiente valor:

Ac

La situación en el centro del alambre es diferente; allí la tensión máxima tienen el



La situación se complica porque aquí los ángulos de tensiones mínimas son bastante menores que los que corresponden a tensiones medias. Además, después de superado el valor mínimo, las tensiones crecen muy rápidamente.

g

En estas condiciones se puede llegar a producir un defecto de trefilación denominado

In

“sobrepasar”, es decir, en el centro del alambre se producen tensiones que superan la carga de rotura, dejando entonces una serie de fisuras en el mismo.

225

os

ta

H

or

na


Esquema del proceso de trefilado.

Ac

En forma muy general podemos presentar un diagrama de bloques, que esquematiza

In

g

D av id

las diferentes operaciones de un proceso de trefilado.

226

Procesos de Manufactura II Este esquema indica una secuencia necesaria para el proceso. Indicaremos a continuación el significado de cada operación.

na

1) Tratamiento térmico. Cuando se debe deforma mucho el material por ejemplo alambres de acero 80/90%, alambres de aluminio 90/95%), la posibilidad de hacerlo está en que el metal tanga una

or

estructura metalográfica apta para la conformación.

Los tratamientos térmicos varían para cada metal, buscando la estructura más

H

adecuada. Por ejemplo: Cobre: se hace un recocido entre 220 y 600°C dependiendo de la pureza del mismo; Aluminio: el recocido se hace entre temperaturas de 350 y 500°C;

ta

Acero de bajo tenor de carbono (hasta 1015/1020): se hace un recocido total; y Aceros de mediano y alto tenor de carbono (1025 y superiores): aquí el tratamiento térmico es un temple isotérmico denominado “patentado”. Consiste en calentar al material hasta

os

lograr la total austenización y enfriar bruscamente a una temperatura entre 400 y 500°C aprox. Este enfriamiento se puede lograr introduciendo el material en baños de plomo,

Ac

de sales o con corriente de aire controladas (patentado al aire). Se obtiene sorbítica muy fácilmente deformable.

2) Preparación superficial.

D av id

Como buena parte de la energía gastada en el proceso así como las condiciones de terminación del producto dependen fuertemente del rozamiento entre la pared de la hilera y el alambre, se debe cuidar especialmente el estado superficial del material a trafilar.

El material a trafilar proviene de un tratamiento térmico o de un proceso de trabajo en caliente anterior, por lo tanto, la superficie externa está habitualmente oxidada. Estos óxidos tienen la particularidad de ser quebradizos, de elevada dureza y presentan altos

g

coeficientes de fricción. Por este motivo, las operaciones de preparación superficial

In

suelen ser dos: a) decapado: su objeto es eliminar los óxidos superficiales dejando una superficie limpia para la operación posterior. b) preparación superficial propiamente dicha: se colocan productos en la superficie del material a trafilar, que deben cumplir con las siguientes condiciones: 

deben ser de una rugosidad adecuada para servir como portantes de lubricantes; 227

Procesos de Manufactura II 

deben impedir la oxidación durante las discontinuidades del proceso.

Como ejemplo del proceso mencionaremos el aso del acero.

na

Decapado. Mecánico.

Sólo es aplicable para alambres. El material se hace flexionar entre poleas dispuestas a

or

90°. Como los óxidos son quebradizos se desprenden y el tratamiento se completa con

Químico.

Ac

os

ta

H

un cepillado o un granallado.

D av id

Se sumerge el producto a trafilar, los rollos de alambre, las barras, los caños, etc. En una solución ácida. Los ácidos más comúnmente utilizados son el sulfúrico y el clorhídrico. Normalmente a estas soluciones se les agregan inhibidores, que son productos que limitan al ataque sobre el acero base. Preparación superficial.

Para este fin se utilizan varios productos de los cuales mencionaremos algunos.

g

Baños de encalado: soluciones fuertemente saturadas de cal; para conseguirlas es necesario mantener el baño en permanente agitación.

In

Baños de bórax: tiene una interesante ventaja como producto; consiste en que su alcalinidad sirve para neutralizar los restos de ácido que pudieron haber quedado del proceso de decapado. Baños de fosfato: son los más utilizados en la actualidad; permiten trabajar a muy altas velocidades. Son de formulación química compleja y consisten en fosfatos metálicos 228

Procesos de Manufactura II disueltos en soluciones de ácido fosfórico. Trefilado, maquinaria.

na

Una ves realizadas las operaciones anteriores, el material esta listo para entrar en las

maquinas de trafilar. Aquí tenemos varios tipos de estas maquinas, que dependen

or

fundamentalmente del producto que se fabricará. Caso de canos y barras.

H

En general estos materiales se suministran en largos estándar, entre 6 y 12mts. Al material se le da una pasada por vez y generalmente la operación se hace en bancos de trefilado o estirado con varias barras o varios caños simultáneamente. Estos equipos

ta

consisten en un soporte donde se colocan las barras o los caños; previamente se les “saca punta” (para permitir el paso de la primera sección por la trafila) y entonces con

D av id

Ac

un sistema hidráulico o mecánico.

os

una pinza montada sobre un cabezal se toma este extremo, aplicándose la fuerza con

Una variante del sistema son las máquinas tipo Schumag que permiten trabajar con

g

rollos de alambrón en forma continua. La diferencia con el banco de tiro es que tienen

In

dos mordazas que se aprietan o aflojan tirando del alambrón, en forma similar a las manos de un hombre cuando trepa por una soga. Caso de alambres. En estos casos se trafila en continuo, intercalando entre las trafilas tambores de tiro que 229

Procesos de Manufactura II aplican al alambre la fuerza necesaria para producir el estirado. La función de estos tambores es aplicar la fuerza al alambre y conducirlo hasta la próxima trafila. Dados los desgastes

producidos en las herramientas (trafilas), se producen variaciones en el

na

diámetro de los alambres. En estas condiciones, el tambor puede tomar más, menos o igual cantidad de alambre del que es capaz de recoger la trafila siguiente; ello genera

or

tres tipos de máquinas de trafilar. Maquinas trefiladoras:

H

a- con acumulación (4 m/seg). b- con deslizamiento (8-12 m/seg). a) Maquinas con acumulación.

ta

c- de tiro recto (25 m/seg).

En este tipo de maquinas el tambor toma más alambre del que desagota la hilera

os

siguiente. En estas condiciones, algunos tambores en la maquina deben acumular material y cuando se llenan, se detiene para permitir que la próxima hilera le saque el

Ac

exceso.

A continuación se una posibilidad de construcción. Durante el proceso se genera calor que suele ser evacuado en la caja de trafilas por circulación de agua y en los tambores, por aire. Antes de la entrada de cada trafila se coloca un recipiente con el lubricante

D av id

(habitualmente jabones minerales con granulometría muy fina). b) Maquinas con deslizamiento. Trabajan con conos de tiro vinculados por engranajes al motor. Las diferentes condiciones de recogida se consiguen calculando las relaciones de velocidades entre los dos ejes y los diámetros de los cilindros que toman el material. Habitualmente estas relaciones se calculan para que la recogida sea un 2 a 3% menor que lo que puede

g

tomar la hilera siguiente. Ello obliga a que el alambre patine sobre estos cilindros. Estas máquinas se suelen llamar “en húmedo” porque los conos trabajan sumergidos en una

In

solución de grasas que sirven a la ves de lubricante y refrigerante. c) Máquinas de tiro recto. Trabajan sobre el mismo principio anterior pero los tambores están adaptados a motores de corriente continua que permiten variar las velocidades relativas ante las variaciones de diámetro que, inevitablemente, se producen por desgaste de las hileras. 230

Procesos de Manufactura II La ventaja fundamental de estos equipos es que el alambre no sufre torsiones en su recorrido y, de esta forma, no se acumulan fatigas que disminuyen la calidad del

Ac

os

ta

H

or

na

producto final.

b) Maquinas con deslizamiento.

D av id

Trabajan con conos de tiro vinculados por engranajes al motor. Las diferentes condiciones de recogida se consiguen calculando las relaciones de velocidades entre los dos ejes y los diámetros de los cilindros que toman el material. Habitualmente estas relaciones se calculan para que la recogida sea un 2 a 3% menor que lo que puede tomar la hilera siguiente. Ello obliga a que el alambre patine sobre estos cilindros. Estas máquinas se suelen llamar “en húmedo” porque los conos trabajan sumergidos

In

g

en una solución de grasas que sirven a la ves de lubricante y refrigerante.

231

os

c) Máquinas de tiro recto.

ta

H

or

na


Trabajan sobre el mismo principio anterior pero los tambores están adaptados a motores de corriente continua que permiten variar las velocidades relativas ante las

Ac

variaciones de diámetro que, inevitablemente, se producen por desgaste de las hileras. La ventaja fundamental de estos equipos es que el alambre no sufre torsiones en su recorrido y,

In

g

D av id

producto final.

de esta forma, no se acumulan fatigas que disminuyen la calidad del

Por tener motores de corriente continua y velocidad regulada, estos equipos son bastante más caros que los indicados en a y b. Recubrimientos superficiales. Todos los metales expuestos a determinados medios se corroen, dependiendo la 232

Procesos de Manufactura II extensión y la importancia de esta corrosión de la naturaleza del metal y del medio al que está expuesto. Por lo tanto, se deben prever recubrimientos superficiales que eviten o retarden estos fenómenos de corrosión. recubrimientos

superficiales

usualmente

utilizados

para

mencionaremos los siguientes. a) Aceitado: usado como protector temporario.

los

aceros,

na

Como

or

b) Cincado: consiste en recubrir el alambre con una capa de cinc. Se puede conseguir de dos formas; sumergiendo el alambre en una baño de cinc fundido o

H

depositándolo por medio de electrólisis (galvanizado).

c) Otros materiales: por supuesto hay muchos más metales que se puedan

os

ta

depositar: cobre, aluminio, etc. Pero el cinc es el más común hasta e momento.

Trafilas.

Las trafilas son una de las más eficientes herramientas utilizadas en la industria. No

Ac

tienen partes móviles, reducen uniformemente las secciones y al mismo tiempo se produce el cambio de propiedades del material. Forma geométrica.

D av id

Podemos ver en el esquema las partes fundamentales de una hilera. El núcleo se suele colocar en una caja de hierro común, cuya función es aumentar el tamaño para poderla fijar a los elementos de las máquinas. Las partes activas del núcleo son las siguientes: A- Campana de entrada.

Sirve como guía para el enhebrado y facilita la entrada de lubricante. B- Cono de trabajo.

g

Su función es provocar la deformación del material por efecto de las fuerzas

In

transversales. Para disminuir los rozamientos está pulido a espejo. C- Cilindro de calibrado. Sirve para calibrar el alambre y le da una resistencia mecánica al cono de trabajo. Largo aproximado: 50-75% del diámetro. D- Campana de salida. 233

Procesos de Manufactura II Facilita la expulsión del lubricante usado y permite una rápida difusión de la energía

Ángulos de trabajo

H

or

Los ángulos de trabajo usados habitualmente se indican a continuación.

na

térmica liberada por el rozamiento.

ta

Materiales de los núcleos.

os

Acero.

Prácticamente no es utilizada en la actualidad.

Ac

De polvos metálicos aglomerados en caliente.

En general. se utilizan de carburos de tungsteno. Se obtienen por procedimientos de pulvimetalurgia a partir de carburos por reacción directa de carbono pulvurento sobre u metal finamente molido con materiales o aleaciones relativamente fusibles como

D av id

aglomerantes; generalmente cobalto. Una composición química tipo sería: Co 8%, W 87%, C 5% Son de uso casi general en la industria del trefilado.

De diamante.

Obtenidos por perforación de diamantes industriales. Se utilizan generalmente en

In

g

materiales no ferrosos y diámetros muy finos.

234


PRÁCTICA DEL ESTIRADO El estirado se realiza generalmente como una operación de trabajo en frío. Se usa

na

más frecuentemente para producir secciones redondas, pero también se pueden estirar secciones cuadradas y de otras formas. El estirado de alambre es un proceso industrial importante que provee productos comerciales como cables y alambres eléctricos;

or

alambre para cercas, etc.; varillas para producir clavos, tornillos, remaches resortes y otros artículos de ferretería. El estirado de barras se usa para producir barras de metal

H

para maquinado y para otros procesos.

Las ventajas del estirado en estas aplicaciones incluyen: 1) estrecho control

ta

dimensional, 2) buen acabado de la superficie, 3) propiedades mecánicas mejoradas, como resistencia y dureza, 4) adaptabilidad para producción económica en masa o en

os

lotes. Las velocidades de estirado son tan altas como 50 m/s para alambre muy fino. En el caso del estirado de barras se produce material para maquinado, la operación mejora

In

g

D av id

Ac

la maquinabilidad de las barras.

Figura Nº 4.10 235


Equipo de estirado El estirado de barras se realiza en una máquina llamada banco de estirado que consiste en una mesa de entrada, un bastidor para dado (que

na

contiene el dado de estirado), la corredera y el armazón de salida, El arreglo se muestra en la figura. La corredera se usa para jalar el material a través del dado de estirado.

Está accionado por cilindros hidráulicos o cadenas movidas por un motor. El bastidor

or

del dado se diseña frecuentemente para contener más de un dado, de manera que se

D av id

Ac

os

ta

H

puedan estirar varias barras simultáneamente a través de los respectivos dados.

Figura Nº 4.11

El estirado del alambre se hace con máquinas estiradoras continuas que

contienen múltiples dados de estirado separados por tambores de acumulación, como se ilustra en la figura 4.11. Cada tambor, llamado cabestrante o molinete, es movido por

un motor que provee la fuerza apropiada para estirar el alambre a través del dado correspondiente. También mantiene una tensión regular en el alambre que pasa al

g

siguiente dado de estirado. Cada dado realiza una cierta reducción en el alambre, y así

In

se alcanza la reducción total deseada. Algunas veces se requiere recocido del alambre entre los grupos de dados, dependiendo del metal que se procesa y de la reducción total que se realiza. Dados de estirado La figura 4.11 identifica las características de un dado típico de estirado. Las cuatro regiones del dado que se pueden distinguir son las siguientes: 236

Procesos de Manufactura II 1) entrada, 2) ángulo de aproximación, 3) superficie del cojinete (campo), 4) relevo de salida. La región de entrada es generalmente una abertura en forma de campana que no entra en contacto con el material de trabajo. Su propósito es hacer un embudo

na

lubricante en el dado y prevenir el rayado en la superficie del material de trabajo. La aproximación es donde ocurre el proceso de estirado. Es una abertura en forma de cono con un ángulo (medio ángulo) que fluctúa normalmente de 6º a 20º. El ángulo

or

correcto varía de acuerdo al material de trabajo, La superficie del cojinete o campo determina el tamaño final del material estirado. Finalmente el relevo de salida es la

H

última zona. Se provee con un relevo hacia atrás con un ángulo de 30º. Los dados de estirado se hacen de acero de herramienta o carburo cementado Los dados para alta velocidad en las operaciones de estirado de alambre usan frecuentemente insertos

D av id

Ac

os

ta

hechos de diamante (sintético o natural) para las superficies de desgaste.

Figura Nº 4.12

Preparación del material de trabajo Antes del estirado, el material inicial debe

prepararse adecuadamente. Esto involucra tres pasos: 1) recocido, 2) limpieza y 3)

g

afilado. El propósito del recocido es incrementar la ductilidad del material para aceptar

In

la deformación durante el estirado. Algunas veces se necesitan pasos de recocido en el estirado continuo, La limpieza del material se requiere para prevenir daños en la

superficie del material de trabajo y en el dado de estirado. Esto involucra la remoción de los contaminantes de la superficie (por ejemplo, capas de óxido y corrosión) por medio de baños químicos o limpieza con chorro de municiones. En algunos casos se 237

Procesos de Manufactura II prelubrica la superficie de trabajo después de la limpieza. El afilado implica la reducción del diámetro del extremo inicial del material de manera que pueda insertarse a través del dado de estirado para iniciar el proceso, esto se logra generalmente mediante

na

estampado, laminado o torneado. El extremo afilado del material se sujeta a las mordazas de la corredera

ESTIRADO DE TUBOS

H

4.5

or

o a otros dispositivos para iniciar el proceso de estirado.

El proceso de estirado se puede usar para reducir el diámetro o el espesor de la pared de tubos sin costura y caños, después que se ha producido el tubo inicial por medio de

ta

alguna otra operación como extrusión. El estirado del tubo se puede llevar a cabo con o sin un mandril. El método más simple no usa mandril y se aplica para la reducción del

In

g

D av id

Ac

de tubo para esta operación.

os

diámetro como se muestra en la figura 4.13. Algunas veces se usa el término entallado

Figura Nº 4.13

El problema que surge cuando el tubo se estira sin utilizar un mandril, como se

muestra en la figura 4.13, es que carece de control sobre el diámetro interno y sobre el espesor de la pared del tubo. Por esto se usan mandriles de varios tipos, dos de los 238

Procesos de Manufactura II cuales se ilustran en la figura 4.14. En la parte (a) de la figura se usa un mandril fijo ajustado a un barra de soporte largo para fijar el diámetro interior y el espesor de la pared del tubo durante la operación. Las limitaciones prácticas sobre la longitud de la

na

barra de soporte en este método restringen la longitud de los tubos que pueden estirarse. El segundo tipo que se muestra en la parte (b) usa un tapón flotante cuya

forma se diseña de manera que encuentre su posición natural en la zona de reducción

or

del dado. Este método evita las limitaciones sobre la longitud de trabajo que presenta el

In

g

D av id

Figura Nº 4.14

Ac

os

ta

H

método del mandril fijo.

239

ta

H

CAPITULO IX

or

na


9.1

os

METALURGIA DE POLVOS CONCEPTO DE PULVIMETALURGIA

Ac

La pulvimetalurgia es un procedimiento de conformación metálica, como la forja, el moldeo, etc. Esta técnica presenta un control dimensional muy exacto. La pulvimetalurgia abarca las etapas comprendidas desde la obtención de polvos

D av id

metálicos hasta las piezas acabadas, es decir, producción de polvos, mezcla, aglomeración, sinterización y acabados. Su competidor más directo es el moldeo de precisión o moldeo a la cera

perdida. Compitiendo también con el mecanizado ya que ésta se aplica para evitar mecanizar. Las industrias pulvimetalúrgicas se basan en la producción de grandes series en las cuales el coste del mecanizado, por pequeño que sea, repercute

In

g

decisivamente en el costo del producto sinterizado.

426

Procesos de Manufactura II Las principales ventajas que confieren a esta técnica un creciente desarrollo son las siguientes 

Reduce al mínimo las pérdidas de materia prima, puesto que sólo se usa la

na

cantidad de polvo requerida para alcanzar el peso final. Se facilita el control exacto de los límites de composición.



Se pueden eliminar o reducir en gran parte las operaciones de mecanizado.



Las operaciones pulvimetalúrgicas son susceptibles de automatización.



Es posible lograr buenos acabados superficiales, sin rebabas ni líneas de

or





H

partición propias del moldeo.

Es la única técnica de aplicación que permite lograr una porosidad controlada y



Evita las segregaciones.



os

Las principales desventajas son:

ta

una oxidación interna muy repartida, apta para el endurecimiento.

La forma de la pieza, la cual debe de poder extraerse fácilmente de la matriz, con lo que se elimina una serie de posibilidades de diseño. Las dimensiones. En efecto, las prensas normales no suelen sobrepasar las 500

Ac



tm, lo cual limita la superficie de las piezas. 

A las piezas sinterizadas no se les puede exigir las

mismas cualidades de

D av id

alargamiento y resistencia que a las obtenidas por métodos convencionales. 

La economía, ya que las matrices utilizadas en pulvimetalurgia se fabrican de acero aleado o de carburo de tungsteno y sus acabados son muy difíciles de conseguir. En ambos casos

resultan relativamente caras, incidiendo en el

precio de los componentes obtenidos pulvimetalúrgicamente. Por esta razón se calcula la amortización de las matrices el la producción de grandes series.

In

g

Las principales líneas de trabajo de la pulvimetalurgia son las siguientes: Fabricación de piezas de aleaciones base hierro, cobre, níquel, etc. cuyos factores técnicos y económicos aconsejan dicho método para la supresión del mecanizado y aprovechamiento del metal.

427

Procesos de Manufactura II Obtención de cojinetes autolubricantes: Un cojinete de bronce sinterizado puede presentar un volumen de poros igual al 30 por ciento. Impregnado de aceite al vacío y a 70 ºC, dispone de una reserva de lubricante suficiente para la vida de la máquina en carga normal. También se fabrican cojinetes impregnados de

na

politetrafluoretileno (teflón). Tratamiento de metales refractarios (wolframio, molibdeno, tántalo y niobio). El

or

elevado punto de fusión de estos metales es prohibitivo para darles forma por moldeo. Además, existe la posibilidad de contaminación del metal líquido por el

H

material de las paredes del recipiente y por los gases solubles en el metal fundido.

Preparación de pseudoaleaciones de metales com puntos de fusión muy dispares:

ta

como Cu-W, Ag-W y Ag-Mo empleados en los contactores eléctricos, en las zonas en que se produce la chispa de rotura, donde se necesita tanto la buena

os

conductividad eléctrica del cobre o de la plata coma la buena resistencia al desgaste del wolframio o del molibdeno. Actualmente se fabrican muchos

Ac

contactos a base de plata endurecida con un 10 por ciento de óxido de cadmio, obtenidos por sinterización.

Fabricación de termistores de óxido de cinc: con curva voltaje-intensidad no lineal,

D av id

a base de envenenar los límites de grano con Bi2O3.

Fabricación de filtros

resistentes a los golpes y a las variaciones bruscas de

temperatura. Se les emplea como filtros de aceite para bombas de inyección de los motores Diesel, filtros de freón para

refrigeradores, filtros para la industria

petroquímica, etc. Estos filtros se fabrican de bronce, metal monel, acero inoxidable y titanio. Es posible obtener poros de dimensiones muy regulares y alcanzar hasta

In

g

00,1 mm de diámetro, en ciertos casos, controlando el tamaño de grano del polvo utilizado y las condiciones de sinterización.

Tratamiento de metales rebeldes da la forja, a moldeo y decoletaje. La sinterización soluciona el problema de realizar aleaciones especiales como el alnico (Ni 20%, Fe 63%, Al 12%, Co 5%) para imanes permanentes, eliminando sopladuras y

428

Procesos de Manufactura II heterogeneidades de composición. También se fabrican imanes sinterizados de naturaleza cerámico, como la ferrita. Preparación de carburos de wolframio, titanio, tántalo y pseudoaleaciones de

na

carburo de wolframio acero. Estos componentes presentan dureza elevada, buena resistencia a la abrasión y tenacidad. No tienen, debido al alto punto de fusión, otra posibilidad de fabricación que la aglomeración de polvos de carburo mediante

or

cierta cantidad de cobalto que actúa de cemento.

H

Preparación de materiales pesados, o pseudoaleaciones que contienen del 85 al

95 por ciento del wolframio, del 3 a 10 por ciento de níquel y del 2 al 5 por ciento de cobre. Estos materiales tienen una densidad del orden de 17,5 g/cm3 y se utilizan

os

pantallas para rayos X y gamma.

ta

para la fabricación de masa inerte empleada en giroscopios, masas de equilibrio y

Fabricación de cermets: es decir, de aglomerados obtenidos por sinterización de turborreactores.

Ac

metales con alto punto de fusión y óxidos muy refractarios, que se utilizan en Para evitar las segregaciones de aceros de alta aleación: como es el caso de los aceros rápidos, que segregan bandas de carburos.

D av id

Obtención de aleaciones oxidadas interiormente: como el aluminio con Al2O3. 9.2

CARACTERISTICAS DE LOS POLVOS METALICOS

LA FORMA:

In

g

Definición: Indica la geometría de la partícula.

Figura Nº 9.1

Polvos de hierro atomizados

429

Procesos de Manufactura II Determinación: Se realiza directamente por microscopía óptica o bien electrónica. Influencia: La forma de las partículas incide en las características secundarias del polvo .

na

Tipos: Las formas que presentan las partículas pulverulentas se pueden clasificar en: Esférica, Redondeada, Angular Acicular, Dendrítica Irregular, Microporosa

or

Fragmentada.

ta

H

LA COMPOSICIÓN

Definición: Indica la naturaleza del material y la pureza del mismo. Se realiza por análisis químico, gravimetría, volumetría y

os

Determinación:

numerosos métodos de análisis instrumental.

Es esencial el estudio de las impurezas:

Oxido interior:

In

g

D av id

Oxido superficial:

Ac

Influencia:

Figura Nº 9.2

Analizador Termogravimétrico y análisis Termicodiferencial (INASMET Centro Tecnológico de Materiales)

430

Procesos de Manufactura II El óxido interior: de la partícula pasa al componente sinterizado sin interferir apenas. El óxido superficial: es eliminado en la atmósfera reductora del horno o bien dificulta la unión de las partículas. Se expresa como la pérdida de hidrógeno (PH2)

na

que se produce en el horno de atmósfera de hidrogeno, calculada pesando el polvo antes y después de la calcinación.

or

EL TAMAÑO Y LA DISTRIBUCIÓN

Cuando se trata de partículas esféricas, se expresa mediante su diámetro.

H

Cuando se trata de partículas no esféricas, se aplica el concepto de diámetro medio, cuya definición depende del método escogido para su determinación.

La distribución: Define la desviación de tamaños del conjunto y repercute en las

ta

características secundarias del polvo. Determinación: La diversidad en métodos

LA SEDIMENTACIÓN

os

empleados es muy grande por ello citaremos a continuación los más usuales.

Ac

Fundamento: Se basa en la ley de Stokes:

Descripción: Las medidas del diámetro de la partícula se realizan en unos aparatos que consisten básicamente en un tubo de aluminio vertical, lleno de líquido o gas, provisto en su parte superior de un sistema de alimentación de polvo y en la parte

D av id

inferior de un sistema destinado a medir la velocidad de sedimentación. Estas medidas de velocidad pueden hacerse por un análisis químico, por turbimetría, por pesada automática de los polvos sedimentados, por medida de densidad, por presión etc. Evidentemente, este aparato nos proporciona el diámetro medio de las distintas fracciones sedimentadas a lo largo del tiempo de operación, es decir, nos indica el tamaño y la distribución de las partículas de polvo

In

g

metálico.

MICROSCOPÍA Fundamento:

Se basa en la utilización de microscopios

ópticos o bien

electrónicos para la observación de las muestras de polvos metálicos. Descripción: El microscopio óptico: consta de una fuente luminosa que genera un haz de rayos, el cual llega a un espejo plano que lo refleja enviándolo, a través de las lentes que 431

Procesos de Manufactura II constituyen el objetivo, donde la imagen se amplía, vuelve a pasar por el espejo plano y llega al conjunto de lentes que forman el ocular, donde la imagen se vuelve a ampliar. El microscopio electrónico: consiste en un sistema que genera electrones, los

na

acelera y enfoca mediante dos lentes electromagnéticas y los hace incidir sobre la muestra que actúa como anticátodo. En este choque se arrancan electrones

secundarios superficiales e internos, fotones, rayos X, etc., utilizándose los

or

electrones secundarios superficiales para formar la imagen topográfica de la

LA MODULACIÓN DE FLUJO ELÉCTRICO

H

superficie de la muestra.

del volumen de las PARTICULAS El aparato utilizado consta de un

ta

Definición: Aplica medidas de variación de potencial eléctrico a la determinación tubo dividido longitudinalmente en dos

os

compartimentos y agujereado en la parte inferior. En cada compartimiento se colocan sendos electrodos a ambos lados del agujero, cuyo diámetro es mayor

Ac

que la partícula de polvo de mayor tamaño.

El tubo se llena de un líquido conductor y los polvos, cuyo tamaño y distribución se quiere determinar, se introducen en el líquido, por el interior del cual descienden. La concentración de partículas se ajusta de manera que sólo pase por el agujero

D av id

de un periodo de tiempo determinado cuando ello ocurre, la resistencia eléctrica del líquido cambia momentáneamente de forma proporcional al volumen del líquido desplazado por la partícula, es decir, a su tamaño. Estos cambios producen una

pulsación de corta duración cuya magnitud es

proporcional al volumen de la partícula. Calibrando el aparato y conectándolo a un sistema electrónico automático puede obtenerse la distribución de los tamaños.

In

g

EL TAMIZADO Fundamento: Consiste en la separación de partículas mediante tamices de distinta malla que las dejan pasar o las retienen. Aplicación:

432

Procesos de Manufactura II Es el método más empleado para determinar la granulometría de las partículas Se aplica también para preparar fracciones destinadas a la mezcla de polvos con distribución de tamaños previamente programada. Tipos: Los tamices más divulgados son los que se adaptan a la escala de Tyler,

na

recomendada por las normas ASTM. LA LEVIGACION

or

El aparato de levigación está constituido por varios recipientes de vidrio, unidos en serie por medio de tubos de vidrio y tapones de goma. Estos recipiente poseen una

H

forma cónica que va ensanchándose de abajo hacia arriba, par volver a estrecharse en la parte superior, en el cuello, con el tapón de goma. El liquido en el

cual se halla suspendido el polvo metálico que debe ser levigado, atraviesa de

ta

abajo arriba una serie de recipientes de esta clase, de manera que por cada recipiente solamente pasan hacia el otro aquellas porciones de polvo cuya

os

velocidad de caída en el líquido es inferior a la velocidad del líquido en la parte más ancha del mismo. En el primer recipiente sólo

quedarán las porciones más

habrá quedado

Ac

gruesas, en el siguiente las menos gruesas, etc, y al terminar el proceso el polvo clasificado en tantas fracciones como recipientes hubiere

disponibles, mientras que las porciones mas finas habrán sido arrastradas hasta

D av id

fuera del sistema. LA POROSIDAD

Definición: Indica el grado de compacidad de la partícula de polvo. Determinación: Se detecta mediante la observación al microscopio o por medida de la densidad. Tipos:

In

g

Porosidad externa: El poro se encuentra en la superficie de la partícula, como en los polvos de acero atomizados previa reducción de los óxidos formados. Porosidad interna: El poro se encuentra en el interior de la partícula, como

en los

polvos de hierro obtenidos por reducción de sus óxidos. A su vez hay dos tipos de porosidad interna: Tipo esponja: en el cual los poros se presentan como un conjunto de huecos aislados. 433

Procesos de Manufactura II Tipo erizo: en el cual los poros están interconectados. La porosidad tipo erizo así como la porosidad superficial, producen elevados valores de superficie específica, fáciles de detectar.

na

LA MICROESTRUCTURA Definición:

Es el aspecto que presentan a la observación microscópica los polvos desbastados

or

y pulidos.

H

Determinación:

Mediante la observación microscópica puede estudiarse el tamaño, la forma y la disposición de los distintos cristales, denominados granos, que constituyen una

ta

partícula de polvo.

os

Influencia:

Las características citadas dependen del método de obtención del polvo, de su

LA DENSIDAD

Ac

pureza y del tratamiento térmico al que ha estado sometido el metal.

D av id

Definición: Resultado del cociente de la unidad de masa entre la unidad de volumen. Depende de la forma de las partículas, de su tamaño y distribución, así como de su porosidad.

Determinación: Se efectúa pesando un recipiente de volumen conocido enrasado con el polvo problema.

In

g

Influencia: Las matrices normalmente se llenan con un volumen fijo de polvos, por lo que la densidad indica la profundidad con la cual deben diseñarse. Tipos: Densidad aparente: relación entre el peso en gramos y el volumen en centímetros cúbicos de una masa pulverizada.

434

Procesos de Manufactura II Densidad del polvo vibrado: el mismo concepto, pero tras someter la masa pulverizada a sacudidas de intensidad y duración normalizadas, en un recipiente de dimensiones fijas.

na

LA SUPERFICIE ESPECIFICA Definición: Relación que hay entre su superficie y el

peso, expresándose su valor en.

or

Determinación:

Se realiza midiendo la velocidad de disolución del polvo o de una reacción química,

H

o bien por medidas de permeabilidad, microscopía, y especialmente, por fenómenos de adsorción.

ta

VELOCIDAD DE DERRAME Definición:

os

Tiempo necesario para que se derrame una cantidad fija de polvo a través de un orificio de dimensiones normalizadas practicado en un recipiente igualmente

Factores:

Ac

normalizado.

La velocidad de derrame depende de las

partículas

D av id

distribución de

superficie (absorción)

la

forma,

de polvo y

de

del

tamaño

los

y de la

fenómenos

de

que puedan presentarse.

Influencia:

El interés práctico de esta característica reside en que proporciona orientación acerca del tiempo de llenado

de

una

los moldes.

In

g

LA COMPRESIBILIDAD Definición: Es la reducción de volumen que se obtiene por prensado del mismo. Se emplea a fin de materializar numéricamente esta característica, la llamada: Relación de compresión: Definida como el cociente polvo compactado en verde es decir

entre

la

densidad

sin sinterizar y la densidad

del

aparente. 435

Procesos de Manufactura II Como es lógico, a reducción del

una

volumen

mayor

mayor,

o

presión aplicada sea

una

le corresponde

una

mayor densidad en verde.

LA CONSOLABILIDAD:

na

Definición: Es la presión mínima necesaria para producir un compactado de resistencia en verde satisfactoria.

or

Resistencia en verde:

La resistencia mecánica precisada para que el polvo compactado, pero aún no

H

sinterizado, pueda manipularse sin deterioro durante las operaciones mecánicas que van del prensado al sinterizado, es decir, durante la expulsión de la matriz y el

ta

traslado al horno. LA PLASTICIDAD

os

Definición:

Es la cualidad de ser fácilmente deformable con carácter permanente que poseen

Ac

los polvos. Influencia:

Cuanto mayor el la plasticidad, mayor es el aumento de la superficie de contacto de los polvos durante la compactación. En este caso, la resistencia en verde y la

D av id

densidad aumentan considerablemente. La plasticidad es función de la composición química del polvo, de su forma y de su microestructura LA ACRITUD Definición:

In

g

La capacidad que posee el polvo de endurecerse por el trabajo. La

facultad

de

deslizarse

que

poseen

los

planos

cristalográficos

de

empaquetamiento máximo unos sobre otros se traduce en un aumento del número de imperfecciones cristalinas y de la dureza y del límite elástico, así como en una disminución de la tenacidad. Influencia: Este

fenómeno altera la distribución de tamaños en el polvo e

incrementa la densidad en la etapa de la compactación. 436


ALGUNOS METODOS DE OBTENCION DE POLVOS METALICOS

REDUCCIÓN Definición: La obtención de polvos de metal por reducción se basa en la

na

eliminación del oxígeno de los óxidos metálicos mediante un agente reductor. Características: El polvo obtenido por este método es esponjoso y sus granos son

or

de forma esférica irregular.

Control: Se realiza variando la forma de los óxidos, su tamaño y su naturaleza, o se tratara de un gas, su presión y su régimen de flujo.

H

bien variando la temperatura de la reacción, la naturaleza del agente reductor, y, si

ta

El tamaño depende del tamaño de los óxidos de partida y de la temperatura de

os

reducción.

La forma depende de la forma de los óxidos de partida.

LA ATOMIZACION

Ac

Aplicación: En general se aplica a casi todos los metales . Ejemplo:

Definición: La atomización cosiste, en general, en proyectar un chorro de metal o

D av id

de aleación fundido contra un fluido (aire, o agua). Características: Debido a la súbita solidificación que tiene lugar, el metal aparece en forma pulverulenta. A continuación

se recuece la masa así formada en

atmósfera reductora, a fin de eliminar el óxido superficial que se halla formado. Este procedimiento se aplica para obtener polvos de hierro y acero que suelen estar libres de inclusiones no metálicas. Control:

In

g

Variables importantes del proceso son: la temperatura y régimen del metal fundido, la temperatura naturaleza y presión del fluido y otros factores de la caída, etc. Aplicación: Se aplicada a la producción de polvos de estaño, plomo, cinc, cadmio, cobre, hierro, acero, y bronce. Recientemente, ha adquirido importancia la técnica del electrodo giratorio, destinada a la atomización de aleaciones. Actualmente la variaedad de trituradores en el mercado es grande como ejemplo sirvan estos dos:

437

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


438

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


439


PIRÓLISIS Definición: La pirólisis consiste en la descomposición térmica del material de partida. deformación de compuestos volátiles, como Fe(CO)5 o Ni(CO)4.

or

CORROSIÓN

na

Caracteristicas: Se obtiene un polvo esférico que se purifica eficázmente por

Definición: Se realiza aprovechando fenómenos de corrosión.

H

Características: Se usa este método para la preparación de algunos tipos de polvos, como los de acero inoxidable no esféricos que se aplican a la fabricación de piezas sinterizadas de acero al cromo.

ta

Aplicación: En el caso del acero inoxidable se parte de chatarra. Esta chatarra se calienta a temperaturas de 500-700 ºC, a fin de precipitar carburos en los límites de

os

grano, y se la introduce después en un medio corrosivo drástico, como una disolución de sulfato de cobre en ácido sulfúrico en ebullición, atacándose así en es fácil. CONDENSACIÓN

Ac

las zonas sensibilizadas del acero inoxidable. La trituración del producto resultante

D av id

Definición:

Consiste en provocar la volatilización o sublimación del metal, a fin de separarlo de sus impurezas y condensarlo a continuación en forma sólida pura. Características:

Las partículas obtenidas por medio de la condensación son de forma esférica y muy finas.

Aplicación:

In

g

Este método se aplica con mucha frecuencia al cinc, pero ha sido utilizado también para producir polvo de magnesio, de cadmio y de plomo. AMALGAMACIÓN Definición: Consiste en realizar la amalgama, descomponiendo térmicamente los compuestos intermetálicos formados y evaporar el mercurio. 440

Procesos de Manufactura II Características: Granulometría muy pequeña y de gran pureza. Aplicación: Este método se aplica en el caso de que los metales sean susceptibles de sufrir

na

amalgamación, consiguiéndose polvos extremadamente finos. Por ejemplo polvos de hierro, polvos aleados de hierro-niquel.

or

LIOFILIZACIÓN Definición:

H

Consiste fundamentalmente, en la congelación rápida de una disolución líquida de

los elementos metálicos, eliminando a continuación el disolvente sólido obtenido por

sublimación, sin que varíe el volumen aparente del sólido, es decir,

Entonces se pulveriza el producto sólido.

os

Caracteristícas:

ta

liofilizándolo. De esta manera las partículas conservan sus formas y dimensiones.

Se consiguen polvos aleados muy homogéneos .

Ac

Etapas:

En que suele dividirse este procedimiento son las siguientes: Disolución, Congelación rápida, Liofilización.

D av id

PRECIPITACIÓN Definición:

Los metales que ocupan las posiciones inferiores de las series de fuerzas electromotrices de los metales frente a sus iones precipitan de sus disoluciones cuando coexisten en el equilibrio con metales más activos. Aplicación:

In

g

El cloruro de titanio, cuyo punto de fusión es de -30 ºC, por ejemplo, da lugar frente al magnesio, a un precipitado de titanio. Por lo tanto esta propiedad sirve para obtener polvo metálico por precipitación de una sal metálica haciendo intervenir en el proceso un metal activo.

441

Procesos de Manufactura II Un ejemplo de precipitación que cada día tiene mayor interés es la obtención de polvos de hierro a partir de las disoluciones iónicas procedentes de la lixivicación de chatarras.

na

A PARTIR DE CHATARRAS Definición: Filtrar a continuación para eliminar los residuos sólidos. Evaporar la disolución.

or

Consiste en llevar a cabo un ataque de la chatarra mediante ácido clorhídrico.

H

Realizar una cristalización, separando los cristales por centrifugación. Después se secan los cristales.

ta

Obteniéndose polvo de cloruro ferroso hidratado, que debe ser compactado antes de reducirlo con hidrógeno caliente. Formándose entonces una torta que hay que

os

moler.

DENSIFICADO

Ac

TRATAMIENTOS DE LOS POLVOS METALICOS

Definición: Cuando interesa conseguir polvos más densos o cuando en la masa

D av id

pulverulenta se han formado agregados voluminosos de partículas, los polvos se someten a un proceso de molido. Características: El efecto mecánico de las bolas o rodillos es un redondeo de las partículas y un aumento de la acritud. Como se consigue una mayor compresibilidad con polvos esféricos no porosos, interesa, en algunos casos, el redondeo para el prensado, y más corrientemente,

In

g

para la sinterización. Observaciones: El prensado también es un método empleado para densificar. Se ha observado que los componentes que salen defectuosos del prensado y se desmenuzan

y vuelven a prensar, necesitan menor tiempo de molido que los

polvos recién obtenidos, para el mismo grado de densificado.

442


RECOCIDO Definición: El recocido es un tratamiento térmico encaminado a eliminar la acritud introducida Características: Suele realizarse en atmósfera reductora actuando de desóxidante.

na

en el polvo.

del polvo y de la finalidad perseguida en la operación.

or

La temperatura de trabajo es la de recristalización que es función de la naturaleza

H

Así con igual presión de compactación se conseguirá mayor área de contacto, con lo cual facilita el sinterizado. Observaciones:

ta

En el recocido, generalmente, después de recocer los polvos aparecen masas débilmente compactadas que deben desmenuzarse.

Definición:

Ac

ALEACIÓN

os

Ejemplo: hierro

Las aleaciones suelen tener propiedades distintas que los metales elementales y motivo se fabrican componentes aleados. Cuando interesa conseguirlos

D av id

por

pulvimetalúrgiacamente, se opera de tres maneras: Mezclando los polvos elementales: Cuando se opera con polvos elementales normalmente se consigue una elevada considabilidad, sobre todo si son de procedencia electrolítica; pero los fenómenos de difusión necesarios para lograr la aleación homogénea suelen ser deficientes.

In

g

Utilizando polvos semialeados: Definición:

los conseguidos después de permanecer la mezcla de los polvos

elementales cierto tiempo a la temperatura de trabajo en el horno de sinterizar. Características: conservan, en parte, las ventajas de los polvos elementales y adquieren alguna de los polvos atomizados. Es éste, por lo tanto, un procedimiento muy interesante par sinterizar aceros al níquel y al molibdeno.

443

Procesos de Manufactura II Observaciones:

La microestructura de las piezas obtenidas a partir de polvos

semialeados aparece con mejor distribución de aleantes que la de las obtenidas con mezcla de polvos elementales. Es decir, Las propiedades mecánicas más

na

elevadas se obtienen partiendo de polvos aleados y semialeados. Empleando polvos atomizados de un lingote de aleación:

or

El último caso corresponde al método de atomizado ya estudiado. Tiene la ventaja

de ser el procedimiento que logra una distribución más homogénea de la aleación,

H

pero resultan unos polvos endurecidos y de elevado costo y las pérdidas de

ta

material son considerables.

RECUBRIMIENTO

os

Definición:

El sinterizado se facilita si se consigue el máximo contacto entre los polvos de

Ac

distinta naturaleza. Este máximo contacto se logrará, evidentemente, cuando un tipo de polvo recubra enteramente al polvo de naturaleza distinta. Es la mezcla más perfecta y en ello consiste el recubrimiento. El recubrimiento puede llevarse de tres maneras:

D av id

Mecánica

El recubrimiento mecánico exige como condición necesaria que los componentes de la mezcla posean una plasticidad muy distinta, pues el más blando recubre al duro. Un buen ejemplo lo constituye el wolframio cobreado obtenido a base de mezclar ambos polvos durante cierto tiempo en un molino de bolas.

In

g

Química

Para conseguir el recubrimiento químico se aprovecha la tendencia a precipitar propia de los iones metálicos más nobles en contacto con metales más activos. Por ejemplo, al sinterizar hierro mezclado con cobre se puede aprovechar la mayor plasticidad del cobre efectuando el recubrimiento por inmersión del polvo de hierro en un solución de sal de cobre. El hierro tiende a pasar a la disolución y el cobre a depositarse encima del hierro, según las reacciones: 444


El equilibrio está desplazado en el sentido de la formación de iones ferrosos y cobre metálico. Otros ejemplos de recubrimiento químico son el cobreado de plomo y el niquelado de hierro. En el primer caso, mezclando acetato de plomo y acetato

na

de cobre en ácido acético se depositó plomo recubierto de cobre. En el niquelado químico del hierro o niquelado Kaningen se sumerge el polvo de hierro en un baño

electrolítico y se mantiene a 90ºC durante unas horas. La composición del baño es

or

30g/l de cloruro amónico, 10g/l de citrato sódico, y amoniaco hasta pH=8.9.

H

Electrolíticamente

El recubrimiento electroquímico necesita el concurso de la corriente eléctrica. El metal que debe actuar de recubridor se conecta al ánodo de una cuba electrolítica

ta

con solución iónica de la misma naturaleza. La masa pulverulenta a recubrir se

os

conecta al cátodo. MEZCLA

Ac

Definición:

El recubrimiento de polvos es el sistema más perfecto para mezclar dos metales. No obstante, muchas veces no hace falta tanta perfección y mezclado mecánico es suficiente para poner en contacto íntimo polvos de distinta naturaleza y lubricante.

D av id

Son numerosos los tipos de mezcladores que hay en el mercado para realizar este proceso:

Mezcladores de dispersión.

Mezcladores de tornillo cónico. Mezcladores de rama doble. Mezcladores de planetario. Mezcladores de paleta.

In

g

Mezcladores de cilindro oscilante. LUBRICACIÓN Definición: El componente más importante en la mezcla de polvos es el lubricante, cuya finalidad es incrementar la fluidez del sistema para que la densidad del componente acabado sea elevada y homogénea. 445

Procesos de Manufactura II La fricción: Masa de polvos, debido a la fricción, no cumple el principio de Pascal, pero añadiendo lubricante se reduce la fricción . La fricción se determina por el factor k, cociente entre la presión transmitida la presión aplicada. La fricción es la causante de la distribución y pérdida de presión

na

que se originan en la compactación . Tipos: Las paredes de la matriz y el punzón.

or

Las partículas de polvo y las paredes. Las partículas durante la deformación.

H

El compacto y las paredes de la matriz. Influencias: La fricción afecta a:

La densidad y al Gradiente de densidad en el compacto.

ta

La resistencia del compacto. La calidad de la pieza acabada. La vida del utillaje.

os

La eliminación del compacto de la matriz y al desgaste de la matriz.

Ac

Observaciones: La fricción depende de:

La relación entre la pared axial de la matriz y la pared radial del punzón. Del tamaño de la pieza a obtener o de la cantidad de polvo que lleva la matriz. De la presión ejercida y de la naturaleza del lubricante y molde.

D av id

Las variables:

Hay que tener en cuenta al escoger los lubricantes, además de su naturaleza, son las siguientes:

Las variables de las que depende un lubricante El punto de fusión: depende de la naturaleza del lubricante, debe se lo suficiente alto para que no funda por el calor generado durante la mezcla, ya que se

In

g

producirían terrones. Por otro lado, debe ser lo bastante bajo para que pueda ser eliminado en el horno de sinterización antes de que tengan lugar los fenómenos de soldadura de polvos. La densidad: Para un mismo lubricante, la densidad depende del método de obtención. Ejemplo: el estearato de cinc se puede obtener por precipitado o por fusión.

446

Procesos de Manufactura II Por precipitación: se

obtiene mezclando estearato sódico (ácido esteárico e

hidróxido sódico) con una sal de cinc. El precipitado se filtra, seca y muele. Por fusion: Este procedimiento de obtención del estearato de cinc consiste en hacer reaccionar el óxido de cinc con ácido esteárico fundidos, formándose una densidad y mayor tamaño de partícula que el descrito anteriormente. El punto de fusión.

or

La densidad.

na

torta de estearato de cinc, que por trituración da lugar a un polvo de mayor

La operación de mezcla:

H

Se lleva a término con mezcladores en forma de doble cono o de V.

Los tiempos de mezclado suelen ser del orden de una hora para los polvos de

os

con cobalto, parafina y acetona.

ta

hierro y estearato y del orden de un día para la mezcla de carburo de tungsteno

Si la mezcla se realiza en fase líquida, se separa el disolvente por volatilización o

Ac

mediante separadores que proyectan la mezcla en una especie de embudo invertido y por diferencias de densidad separan el disolvente. Señalemos que el empleo de lubricante presenta ciertas inconveniencias pero aun

D av id

así es profusamente utilizado en la industria pulvimetalúrgica. Desventajas de la lubricación: Desventajas:

Aumento de los costos debido a su adición al proceso.

Si se adiciona en disolución, es preciso eliminar el disolvente, con el consiguiente encarecimiento del proceso.

In

g

La cantidad de lubricante, es mayor la que se necesita si se mezcla con el polvo que

si se aplica a las paredes, pero en el primer caso el procedimiento es más

eficaz. El lubricante reduce la velocidad de derrame del polvo, dificulta la alimentación y el llenado del molde. Reduce el contacto metal-metal, dificultando la soldadura en frío. 447

Procesos de Manufactura II La eliminación del lubricante en la etapa de la sinterización puede contaminar la atmósfera del horno, tratamiento de los polvos. Existe la posibilidad de que el lubricante reaccione con el metal modificando las

na

propiedades de la pieza sinterizada. El más utilizado es el estearato de cinc en las proporciones de 0,8 a 1,0 por ciento en peso. COMPACTACIÓN

or

9.4

Definición:

H

En esencia consiste en aplicar una presión suficiente a la masa de polvo colocada en una matriz que es el negativo de la forma acabada. Densidad en verde:

ta

Es de gran importancia para predecir las características mecánicas de la pieza acabada, ya que en la etapa de sinterización dicha densidad apenas varía. Por

os

este motivo suele se objeto de control rutinario en las industrias de la especialidad. Curvas de interés: gráficos.

Ac

En el estudio de este concepto es de gran interés el análisis de los siguientes A) Diagrama densidad presión de compactación. B) Porcentaje de la porosidad del polvo metálico compactado en función de la

D av id

presión de compresión.

C) La curva de razón de la compresión en función de la presión. FASES:

El proceso de la compactación tiene lugar en tres fases llenado del molde, la

compresión y la expulsión del compacto de la matriz. El llenado del molde.

In

g

Llenado: La cavidad de la matriz, que es el negativo de la pieza acabada, se llena de polvo, previamente mezclado. La cantidad de polvo se determina por volumen o por peso. La compactación. Compresión: La presión se ejerce con prensas que pueden ser de muy variados tipos: 448

Procesos de Manufactura II Prensas isostáticas: de compactación en frío o en caliente. Prensas mecánicas o hidráulicas: las segundas suelen ser de mayor potencia, aunque más lentas (dos piezas/minuto) que las primeras (30 piezas/minuto).

na

Prensas rotatorias: Molinos de extrusión: Pistones de extrusión:

or

Expulsión.

La presión se trasmite a la masa de polvos de cuatro maneras distintas:

H

a) Presión aplicada por un solo lado. b) Presión a plicada simultáneamente por los dos extremos. c) Matriz flotante.

ta

d) Presión aplicada por la matriz y por el punzón superior.

Expulsión del compacto: es la última fase de la compactación. Se realiza

os

presionando con el punzón inferior o por desplazamiento de la matriz.

Características:

Ac

LAS MATRICES

La producción pulvimetalúrgica se desarrolla en base a las grandes series. Para ello necesita de matrices fáciles de fabricar y de gran resistencia al desgaste.

D av id

La primera condición es difícil de conseguir. Las matrices se fabrican fundamentalmente de aceros indeformables y de carburos cementados.

Inconvenientes:

El elevado precio del utillaje incide de forma singular en el coste de las piezas pulvimetalúrgicas.

In

g

La operación más laboriosa en la fabricación de matrices es el desbaste y pulido de las mismas. La pulvimetalurgia tiene a gala el ser la técnica que ofrece el mejor control dimensional. Por este motivo el utillaje destinado al compactado y calibrado deben tener gran precisión, con tolerancias muy limitadas. Esta precisión de la matriz se consigue en el pulido de la misma.

449

Procesos de Manufactura II Fabricación de matrices: Con finalidades pulvimetalúrgicas comprende tres etapas: el hechurado, los tratamientos térmicos y los acabados. Los procesos a seguir en cada etapa

na

dependen del material escogido y de la finalidad perseguida. El material: por cada uno de los componentes antes de diseñarla:

or

Es necesario considerar cuidadosamente la función a desempeñar por la matriz y Propiedad buscada en la matriz

Acero aleado

Tenacidad

Acero al carbono

Dureza y economía

Carburo cementado

Resistencia al desgaste y precisión dimensional

H

Material

ta

La resistencia al desgaste y la precisión dimensional que se consigue con los carburos cementados no tiene competencia posible, aunque éstos resultan mucho

os

más caros que con las otras aleaciones.

Ac

El bronce: Tiene aplicación en fase experimental, y antes de proceder a la fabricación de una matriz más cara de carburos cementados. A veces se construyen de bronce par saber exactamente las dimensiones que deben tener

D av id

cuando se desconocen los cambios dimensionales de la mezcla de polvos. El hechurado:

La conformación de la matriz, se realiza de acuerdo con la naturaleza de los mismos.

Si se trata de acero al carbono o lo que es más probable, de acero aleado, se deforma en caliente (forja) o se aplica deformación en frío y decoletaje después de haber realizado un tratamiento térmico de recocido.

In

g

Las piezas de metal duro se hechuran después de presinterizar y se ajustan, después de la sinterización, por electroerosión. El diseño de las posibles piezas a fabricar por el procedimiento pulvimetalúrgico esta sujeto formas prohibidas o difíciles de fabricar que suelen figurar en los catálogos que las empresas del ramo distribuyen a sus clientes.

450

Procesos de Manufactura II Tratamientos térmicos: El recocido: Que precede al hechurado y tiene por objeto ablandar. Se consigue calentando la pieza para situarla dentro del diagrama de equilibrio en el campo austenítico, y

na

luego enfriándola dentro del horno (recocido total), al aire (normalizado), o enfriándola alternativamente (globulizado). También se aplica, en algunos casos, el

recocido de eliminación de tensiones, que se realiza calentando hasta la parte

or

superior de la zona perlítica.

H

El endurecimiento: una vez finalizada la operación de conformación de la pieza, se consigue por: a)

Transformación martensítica: El endurecimiento martensítico se obtiene

ta

enfriando rápidamente desde la zona austenítica (temple) o transformando isotérmicamente, procesos conocidos como martempering y austempering, que

os

dan lugar a micro estructuras martensítica y bainítica, respectivamente.

Ac

b) Nitruración: se consigue a base de calentar el acero a 550 ºC durante unas 70 horas en presencia de NH3, produciéndose un endurecimiento superficial

por

formarse los nitruros de los elementos aleantes (al, Cr,Mo, V).

D av id

c) Cromado: Se deposita electrolíticamente una capa de cromo directamente sobre el acero. La dificultad de este procedimiento de endurecimiento superficial reside en la relativamente débil adherencia del cromo con el acero para soportar las grandes presiones a que están sometidas las matrices durante el servicio. d) Deposición en fase vapor: El tetrafloruro de titanio se produce en atmósfera de hidrógeno y metano; en contacto con la superficie del acero se deposita sobre la

In

g

misma formando carburos de titanio. En la superficie se alcanzan durezas de 1800 a 2000 Hv y la resistencia al desgaste es elevada. e) Metalizado: El metalizado se realiza depositando en la superficie de la matriz carburo de wolframio líquido obtenido con una pistola de soldar, con lo cual se consigue que la varilla de material elegido pase a través de un arco eléctrico que

451

Procesos de Manufactura II alcanza temperaturas suficientes para fundir. Un chorro de aire proyecta el líquido recién formado sobre la superficie a metalizar. f) Revenido: Llamado también endurecimiento secundario, el revenido se emplea

na

en los aceros aleados, los cuales, después del temple, se calienta, precipitando carburos que los endurecen.

or

Acabados:

Las matrices de acero tratados y de metal duro sólo se pueden ajustar a las

H

dimensiones previstas mediante el pulido, el cual además les confiere un acabado superficial de gran uniformidad.

ta

El pulido mecánico es un sistema de corte, como el decoletaje, en el que se consideran tres elementos: El abrasivo constituye la cuchilla.

os

El abrasivo, el cemento de unión y los poros.

Ac

El cemento actúa de soporte del abrasivo.

Los poros recogen las partes del material eliminado. Existen normas internacionales para la definición de la calidad de los discos

D av id

abrasivos : A36 L V K es un ejemplo El grado de pulido repercute en la vida de la matriz, ya que palía el desgaste. La última etapa del pulido, que es la que tiene más importancia para el acabado, se llama lapeado.

La elección del material lapeador se basa en las propiedades del material lapeador

In

g

(circular, plano, etc.), el lapeado final y las dimensiones del disco y de la pieza.

METODOS DE COMPACTACIÓN Los métodos de compactación que más frecuentemente se usan

son los

siguientes: La compactación cíclica: Aplicación: La fabricación directa de chapas, redondos y alambres a partir de polvos por compactación cíclica tiene aplicación para los metales que se obtienen 452

Procesos de Manufactura II corrientemente en forma de polvo: níquel y titanio. Así se evita la fusión y el moldeo de los mismos. La técnica de la compactación cíclica posibilita la obtención de redondos y alambre a partir de polvos metálicos según un sistema desarrollado por la Westinghouse

na

Electric Co.. El dispositivo empleado consiste en una canal den forma de U que contiene el polvo y la presión se aplica de modo discontinuo (cíclico) mediante un

punzón llamado suela. Así se produce un desbaste de sección rectangular cuya

or

altura viene limitada por la fricción de la pared y la anchura por la capacidad de la

9.5

H

prensa. SINTERIZACIÓN

Definición:

ta

Consiste en calentar la masa de polvo a temperatura inferior a su punto de fusión (temperatura de sinterizado Ts = 2/3 a 4/5 de temperatura de fusión, Tf ) durante el

os

tiempo suficiente para que las partículas se suelden y el componente resultante, muchas veces poroso, adquiera resistencia mecánica.

Ac

Variables de la etapa de sinterización:

Dejando aparte la naturaleza de la mezcla y la presión de compactación, son las siguientes: la temperatura, el tiempo, la atmósfera del horno y las velocidades de calentamiento y de enfriamiento.

D av id

Por lo tanto, en el proceso de sinterización, una vez elegida la aleación, se compactan los polvos escogidos y se calientan en un horno en el que se controlan las variables mencionadas. LOS HORNOS

Definición: El horno es el elemento principal de la sinterización. Es un artificio constituido por una caja susceptible de calentamiento y que permite el control y la regulación del tiempo, de la temperatura, de la atmósfera y de las velocidades de

In

g

calentamiento y de enfriamiento. Tipos de hornos: Los hornos se pueden dividir en varios tipos según el criterio de clasificación que se adopte: A partir del procedimiento de calentamiento. Por atmósfera. Por la solera del horno. 453


TEORÍAS DE LA SINTERIZACIÓN Estudiaremos a continuación las teorías que intentan explicar el fenómeno de la sinterización, separando las etapas de los mecanismos.

na

Etapas de sinterización: En la sinterización se distinguen tres etapas:

1) Crecimiento de los puentes de enlace: Las áreas de contacto de las partículas

or

de polvo aumentan, ya que se sueldan íntimamente porque los centros de las

partículas se aproximan y la resistencia aumenta. Bajo la influencia de tensiones y

H

excesos de vacantes, el crecimiento de los puentes de enlace se desarrolla

cumpliendo una ley exponencial. La fuerzas resultantes de la tensión superficial original mantienen los límites interparticulares en el plano de contacto.

ta

2) En la etapa de la densificación y crecimiento de grano: que tiene lugar cuando la relación rn/r fig sobrepasa un determinado valor, las partículas independientes

Ac

dimensionales de la pieza.

os

empiezan a perder su indentidad aumentando la densidad y los cambios

3) En la etapa final aparecen los poros aislados debido a la coalescencia de las partículas: Los poros se redondean y desaparecen los pequeños, en tanto que los mayores crecen. Los cambios dimensionales y de densidad apenas son

D av id

perceptibles.

Mecanismos de la sinterización:

Los posibles mecanismos de la

sinterización podemos esquematizarlos de la

forma siguiente:

Sin transferencia de materia:

In

g

--Por adherencia.

Con transferencia de materia: -- Por evaporación y condensación. -- Por difusión de la red a través de vacantes. -- Por difusión de la red a través de átomos intersticiales. -- Por difusión en límites de granos. -- Por fluencia plástica. 454

Procesos de Manufactura II -- Por cizallamiento de los límites de grano. -- Por recristalización. El mecanismo de la adherencia: tiene lugar al poner en contacto dos partículas

na

bajo presión, lo que ocurre en la compactación. Se trata de un enlace débil. La difusión superficial: es un mecanismo de sinterización que ocurre cuando el

or

compactado alcanza temperaturas del orden de 0,3 Tf. En estas condiciones los átomos superficiales tienen suficiente movilidad para desplazarse, dirigidos por la

H

tensión superficial, desde la zona convexa a la zona cóncava de dos partículas de polvo que están sinterizándose. El resultado de este mecanismo es un aumento del espesor del puente de enlace sin que ocurra acercamiento e los centros de las

ta

partículas.

se produce, simultáneamente a

os

La evaporación y la condensación del metal:

temperaturas más elevadas que las necesarias para la difusión superficial. El

Ac

cambio de fase predominante depende de la presión de vapor, que es mayor encima de una superficie cóncava o menos convexa. Por esta razón se produce una disminución de las superficies convexas y un aumento de las superficies cóncavas. No existe en este mecanismo acercamiento de los centros de

las

D av id

partículas.

Difusión a través de la red:

Cuando la temperatura en la escala absoluta de sinterización es la mitad de la temperatura de fusión de los polvos, el mecanismo que adquiere mayor relevo es la difusión a través de la red. Esta difusión es posible por las imperfecciones térmicas

In

g

(vacantes y dislocaciones existentes en los polvos metálicos o generadas en las etapas de mezcla, compactación y sinterización. Las trayectorias de la difusión de vacantes van desde zonas de máxima contracción de defectos a las zonas donde hay menor concentración es decir, las fuentes de vacantes a los sumideros. La difusión de vacantes aumenta el espesor del puente de enlace y redondea los poros.

455

Procesos de Manufactura II Difusión por átomos intersticiales: Este tipo de difusión como la difusión por vacantes cumple la ley de fick: J= -DA (dc/dx). Donde J es el flujo del metal, D el coeficiente de difusión, A la superficie donde tiene lugar el flujo y dc/dx el gradiente de concentración.

na

El coeficiente de difusión depende de la temperatura según la formula de Arrenius D=D0e-a/RT. Donde D0 es una constante que depende de la naturaleza del metal

y del tipo de difusión, a es la energía de activación, R es la constante de los gases

or

y T la temperatura absoluta.

H

Difusión en los límites de grano:

La difusión es más rápida a lo largo de los límites de grano que en el interior de los cristales y más lenta en dichos límites que en las superficies libres, pero el área

ta

de límite de grano es, en un metal, inversamente proporcional al tamaño del grano y muy superior al área de superficie. Además, los límites de grano forman una red

os

que pasa a través de todo el metal, favoreciendo la homogeneidad cuanto la

Fluencia plástica:

Ac

difusión tiene lugar a través de los límites de grano.

La fluencia es la deformación plástica que experimenta con el tiempo un metal sometido a un esfuerzo y a una temperatura constantes. La difusión de lugares

D av id

vacantes produce fluencia si se lleva el material desde los límites de grano que están sometidos a un esfuerzo de compresión a los límites de grano donde hay esfuerzo de tracción. La velocidad de deformación de este mecanismo es inversamente proporcional al cuadrado del diámetro del grano. Deslizamiento de dos granos en contacto: Es un mecanismo de trasferencia de materia, motivado por un esfuerzo, que tiene

In

g

importancia a altas temperaturas. La existencia de este mecanismo se pone de manifiesto grabando una rejilla o red de líneas sobre la superficie de una probeta; pulida y atacada, donde exista un límite de grano se somete a un esfuerzo, a temperatura constante, y se aprecia que las líneas de la rejilla se cizallan donde cruzan a los límites del grano.

456

Procesos de Manufactura II La recristalización: Es el fenómeno que se produce al calentar un metal deformado. Consiste en eliminar la mayoría de los defectos reticulares introducidos, a base de formar una

9.6

na

nueva red cristalina con muchos menos defectos a partir de la red con acritud. ACABADOS MAS FRECUENTES EN PIEZAS SINTERIZADAS

EL CALIBRADO

or

Definición:

Aplicar una presión a la pieza sinterizada mediante una matriz de forma idéntica a

H

la empleada en la compactación aunque de dimensiones más precisas.

Se realiza a temperatura ambiente, lubricando las paredes de la matriz con aceite grafitizado o disulfuro de molibdeno. La presión corrientemente empleada es

os

Características:

ta

superior a la de compactación.

Subsana los cambios dimensionales que ocurren en el sinterizado. Provoca en la

Ac

pieza endurecimiento por acritud, aumento de la dureza, del límite elástico y de la resistencia, al tiempo que disminuye la elongación y la tenacidad. Tipos de calibrado:

D av id

Positivo:

Es el que sufre la pieza sinterizado que tiene unas dimensiones superiores a la matriz de calibrado y en la operación se reducirá el diámetro. Negativo:

La pieza tubular sinterizada entra con holgura en la matriz de calibrar y se ajustan las dimensiones introduciendo un punzón de diámetro algo superior al diámetro

In

g

interior de la pieza tubular. EL MECANIZADO Ventajas:

El mecanizado final añadido al proceso pulvimetalúrgico aumenta la utilidad proceso en cuanto a diseños difíciles.

457

Procesos de Manufactura II El mecanizado aumenta la densidad y mejora el aspecto superficial en el sentido de eliminar la porosidad, factor importante como fase previa al recubrimiento electroquímico. El proceso de mecanizado de los componentes sinterizados suele ser más fácil que

na

el mecanizado de los componentes obtenidos convencionalmente, ya que los poros actúan como discontinuidades, ayudando al mecanizado.

or

No obstante, el mecanizado se aplica relativamente poco en este campo. Inconvenientes: pulvimetalurgia se aplica para evitar mecanizar.

H

La pulvimetalurgia y el mecanizado son dos métodos competitivos y, por lo tanto la Las industrias pulvimetalúrgicas se basan en la producción de grandes series en por pequeño que sea, repercute

ta

las cuales el coste del mecanizado,

decisivamente en el costo del producto sinterizado.

os

Por este motivo las industrias pulvimetalúrgicas dedican poca atención al

Ac

mecanizado. TRATAMIENTOS TERMICOS

En pulvimetalurgia se aplican los mismos tratamientos térmicos que en la

D av id

metalurgia convencional: el temple, el recocido, el revenido, el envejecimiento, los tratamientos isotérmicos, etc.

En este caso rigen los mismos principios que en aquellos proceso, pero hay algunos matices que los diferencian. Limitándonos al caso de los aceros al carbono, el diagrama de Tranformación, Temperatura y Tiempo (TTT) está influenciado por la microestructura, por el

In

g

tamaño de la pieza y por la severidad del medio, pues la microestructura de los aceros convencionales, en principio, es distinta de los aceros pulvimetalúrgicos y la posición de las curvas de transformación queda afectada por este detalle. También hay diferencias en la práctica del tratamiento térmico; por ejemplo, la porosidad superficial de las piezas sinterizados impide emplear baños de sales, ya que éstas se introducen dentro de los poros y ocasionan fenómenos corrosivos. 458

Procesos de Manufactura II CORROSIÓN Definición: Se entiende por corrosión metálica la transformación de un metal por reacción con el medio ambiente. Según las características de esta reacción, la corrosión se

na

clasifica en química o electroquímica. Determinación:

Los métodos empleados para estudiar la resistencia a la corrosión de los

or

componentes obtenidos por procedimientos pulvimetalúrgicos son los siguientes: 1) Medida de la pérdida de peso.

H

2) Observación del aspecto superficial después de una exposición normalizada al aire o en niebla salina. 4) Estudio de las curvas de polarización.

ta

3) Observación metalográfica.

Aunque las piezas de acero inoxidable obtenidas pulvimetalúrgicamente poseen inoxidable, ofrecen menos resistencia a la corrosión que los aceros

obtenidos por los

os

carácter

procedimientos convencionales y que la resistencia a la

Ac

corrosión de los aceros sinterizados varía considerablemente con la naturaleza de la atmósfera del horno .

D av id

El PAVONADO Definición:

Es una operación de protección que

tiene por objeto producir la oxidación

superficial del componente metálico por calentamiento en atmósfera óxidante. Características:

El carácter protector de la capa de óxido depende: de su coeficiente de difusión,

In

g

resistencia, plasticidad, deformabilidad, adherencia, coeficiente de dilatación, etc. Según los valores de todas estas magnitudes, la protección de la película de óxido será más o menos eficaz. El pavonado produce un recubrimiento de magnetita, óxido ferroso-férrico de color negro, que forma una capa impermeable y adherente al metal base, con un coeficiente de dilatación muy parecido al del acero. 459


El pavonado aumenta la densidad de las piezas pulvimetalúrgicas y sirve como técnica de acabado superficial. La capa de pavón formado tiene un color negro de gran valor estético. También se

na

aplica para tapar los poros y facilitar el recubrimiento electrolítico (cobreado, niquelado y cromado).

Uno de los procedimientos consiste en

or

Procedimiento:

sumergir el componente que hay que

H

proteger en baños alcalinos óxidantes, en vapor de agua sobrecalentado o en

anhídrido carbónico. El primer procedimiento no se puede aplicar en piezas

ta

pulvimetalúrgicas, ya que se introduce sales en los poros que luego exudan. El procedimiento más corriente para pavonar piezas pulvimetalúrgicas consiste en

os

inyectar vapor de agua sobrecalentado (550ºC) en un tanque que contenga las piezas que se quiere proteger. Las reacciones que tienen lugar comienzan con la

Ac

formación del óxido de hierro(III).

Al aumentar la concentración en hidrógeno, el óxido rojo se convierte en óxido negro :

D av id

3 Fe2O3 + H2----> 2Fe3O4 +H2O

RECUBRIMIENTO ELECTROLÍTICO Inconvenientes:

La dificultad que las piezas pulvimetalúrgicas ofrecen al recubrimiento electrolítico, lo cual deriva de su porosidad.

In

g

La solución está en la oxidación controlada de los poros o en la impregnación con silicona o con resinas termoendurecibles. La silicona actúa por su efecto repelente del agua. Es por este motivo que las disoluciones iónicas de los baños galvánicos no mojan al poro tapado con silicona y que no se recubre al aplicar las condiciones de deposición eletroquímica.

460

Procesos de Manufactura II RECUBRIMIENTO MECÁNICO Definición: El peen plating consiste en recubrir de cinc los componente de acero. El proceso se realiza por la combinación de una técnica de acabado ya conocida, el molido, y

na

el principio de la soldadura en frío. Características:

or

Las piezas deben ser de formas sencillas.

La condición previa al recubrimiento es el desengrase, que se consigue

H

sumergiendo las piezas en tricloroetileno. En el caso de los aceros se deposita primero una delgada capa de cobre por inmersión en solución cobreante, por

ta

ejemplo, sulfato de cobre diluido en medio ácido. LA SOLDADURA

os

Características:

En la soldadura de componentes pulvimetalúrgicos se aplican también los dos

Ac

aforismos clásicos de la soldadura en general. 1) Soldar es bueno, pero no soldar es mejor. 2) Lo igual se suelda con lo igual.

Es decir se soldará sólo cuando no haya otra solución y se sueldan aleaciones de

D av id

la misma naturaleza. Algunas técnicas de soldadura utilizadas con éxito para la unión de piezas convencionales

fracasan cuando se trata de soldar piezas

pulvimetalúrgicas. Ejemplo.

El método: que ha dado mejores resultados en este campo ha sido la soldadura por protuberancias, la cual consiste en diseñar saliente en una de las dos piezas a unir, poner las piezas en contacto a presión y aplicar cierto voltaje de modo que por

g

efecto joule se funda la protuberancia. Las consecuencias son las mismas que en

In

las piezas macizas: Baño de fusión, zona afectado por el calor, etc.

461

Procesos de Manufactura II TECNICAS ESPECIALES UTILIZADAS EN PULVIMETALURGIA FORJA DE PREFORMAS SINTERIZADAS: Definición:

na

Las propiedades mecánicas, es decir, la resistencia, el límite elástico, la estricción, la elongación, etcétera de las piezas sinterizadas son inferiores a las piezas

or

obtenidas por los métodos convencionales.

La causa no es otra que la porosidad residual, que se puede reducir gracias a la técnica denominada forja de preformas

H

considerablemente

sinterizadas (sinter forging).

ta

La etapa de forja de preformas puede tener más o menos significado en el proceso, según las formas de la pieza acabada y de la preforma. La importancia de las

os

posibles operaciones de mecanizado final también son función de la intensidad de

INFILTRACIÓN: Definición:

Ac

la forja.

Consiste en la adición de una pastilla de aleación relativamente fácil de fundir a un

D av id

componente poroso sinterizado.

El fenómeno de la capilaridad actúa introduciendo

la

aleación líquida en los

intersticios de la aleación porosa. El método se emplea para fabricar algunas pseudo aleaciones como W-Cu y W-Ag, así como para mejorar algunas propiedades mecánicas, como ocurre en el caso

In

g

del cobre infiltrado en el acero. ventajas:

En la fabricación pulvimetalúrgica de piezas de acero al cobre las ventajas de la infiltración con respecto a la mezcla, compactación y sinterización son primordialmente las siguientes: 1)Aumento de la resistencia mecánica, de la dureza, la reisiliencia y la fatiga. 462


2)Tiende a igualar las diferencias de densidad que existen en el interior de la pieza sinterizada.

na

3)Hay un aumento de la densidad sin modificar el tamaño del componente. 4)Se elimina la porosidad que dificulta las operaciones de acabado, como los

or

recubrimientos electrolíticos, por ejemplo.

las partes donde se necesita mayor densidad.

ta

Desventajas:

H

5)Hay una variación selectiva de las propiedades, pues es posible infiltrar sólo en

La desventaja más importante de la técnica de la infiltración la constituye el necesita temperatura más

os

encarecimiento del proceso pulvimetalúrgico, que

elevada que el sinterizado normal y en algunas ocasiones, mayor número de

Ac

etapas.

En cuanto al lingote infiltrante, se prepara normalmente aglomerando mezclas de polvos como si se tratara de un componente pulvimetalúrgico.

D av id

Técnica de la infiltración:

En el proceso de la infiltración, de la pieza a densificar y la pastilla o "lingote" de la aleación infiltrante deben estar en contacto y es preciso que se alcance la temperatura de fusión de la aleación infiltrante. La infiltración se puede llevar a cabo por dos procedimientos diferentes: bien por un

In

g

procedimiento de una sola etapa o bien por un procedimiento de dos etapas. Procedimento de una sola etapa: La pieza, compactada y puesta en contacto con la pastilla infiltrante, se introduce dentro del horno de sinterización, en el que se ajustan las variables a las condiciones propias de la sinterización de la pieza. Hacia el final del proceso de la sinterización, se eleva la temperatura del horno hasta que tenga lugar la fusión de

463

Procesos de Manufactura II la pastilla, y se mantiene el sistema en esta condición durante el tiempo suficiente para que la aleación líquida penetre en la aleación porosa. Procedimiento de dos etapas:

na

La pieza previamente sinterizada se vuelve a introducir, en contacto con la pastilla de aleación infiltrante, dentro de un horno que debe hallarse a suficiente

or

temperatura como para fundir la pastilla. Características de las aleaciones infiltrantes:

H

La aleación de la pastilla o lingote infiltrante contiene:

Cobre se utiliza para fabricar pseufoaleaciones o para mejorar las propiedades mecánicas.

ta

Hierro (4,5-5,5%), el hiero actúa saturando el cobre. Si se infiltrara cobre solo, éste disolvería al hierro la pieza produciendo una cantidad considerable de erosión; el

os

problema se evita infiltrando cobre saturado de hierro.

Manganeso (4,5-5,5%), el manganeso debido a su gran afinidad por el oxígeno,

Ac

impide la oxidación del hierro disuelto en el cobre, además, el manganeso que se incorpora a la pieza aumenta sus propiedades mecánicas Grafito (0,9-1,1%) el grafito de la pastilla también mejora las propiedades de la pieza a infiltrar

D av id

Lubricante (1%), Finalmente, tiene la misma finalidad que el añadido a los componentes obtenidos pulvimetalúrgicamente, ya que así se ha obtenido también, la citada pastilla.

Las principales variables del proceso: 1) La cantidad de aleación infiltrante. 2) El porcentaje de grafito de la pieza a tratar.

In

g

3) La densidad de la pieza. 4) El tipo de polvo utilizado para la fabricación de la pieza. 5) El procedimiento de infiltración Cuanto más porosa es la pieza a infiltrar, mayor facilidad ofrece para efectuar este proceso; no obstante, cuanto más densos son los componentes, menor cantidad de aleación infiltrante se necesita par conseguir las mismas propiedades finales.

464


APLICACIONES

ACEROS AL CARBONO

na

Aceros al carbono: La fabricación pulvimetalúrgica de piezas de hierro en la etapa de sinterización no

ofrece ninguna característica distinta de las apuntadas en los capítulos

or

precedentes:

H

Cuando interesa obtener pulvimetalúrgicamente piezas de acero al carbono se parte de polvos de acero o, lo que es más corriente, se añade polvo de grafito al polvo de hierro.

ta

La etapa de la compactación es favorecida por el carácter lubricante del grafito.

os

La etapa de La sinterización es dificultada debido a la difusión del grafito. Los fenómenos que tienen lugar en la sinterización del polvo de hierro mezclado

Ac

con polvo de grafito son:

A) Crecimiento de las zonas de contacto de las partículas de hierro entre sí. B) La difusión del carbono en el hierro. C) La esferoidización de los poros.

D av id

Variables:

Las variables que influyen en el proceso de sinterización de compactos de polvos de hierro y polvos de grafito son las siguientes: 1) El tipo de polvo de hierro. Tipos de polvos de hierro:

Las propiedades de los polvos metálicos son función, del método de obtención, referimos las variables de la sinterización del polvo de hierro mezclado con grafito

In

g

en base a la técnica empleada en la obtención del polvo: En cuanto a resistencia mecánica y elongación presentan mejores características en orden de mayor a menor las piezas obtenidas de los polvos de hierro exacarbonilo, polvos de hierro de procedencia electrolítica,

polvos de hierro

obtenidos por reducción (hierro-esponja).

465

Procesos de Manufactura II Estas diferencias son tanto más acentuadas cuanto más baja es la temperatura de sinterización. Se necesitan más (temperatura y tiempo) para sinterizar piezas compactadas con

na

polvos de hierro obtenidos por atomización en aire que en agua, ya que en el primer caso ofrecen menos superficie a la difusión del grafito que en el segundo

or

caso.

La reactividad del polvo de hierro frente al polvo de grafito añadido depende de las

H

impurezas superficiales o mezcladas. La impureza más corriente es el óxido de hierro, que reacciona con el grafito.

ta

2) El tipo de polvo de grafito. Grafito:

os

El grafito que se encuentra habitualmente en el comercio tiene una procedencia natural o artificial.

Ac

El grafito utilizado en la pulvimetalurgia del acero es natural, de bajo contenido en cenizas (menos del 5%) y de pequeño tamaño de partícula. Este es el tipo de grafito que posee mayor reaccionabilidad para desoxidar y carburar y que aumenta la velocidad de derrame.

D av id

Las cenizas del grafito natural contienen mica y arcilla y las cenizas del grafito artificial contienen carburo de silicio. Experimentalmente, se ha encontrado que 5 g de cenizas de grafito natural perjudican

igual que 0,5 g de cenizas de grafito artificial en la etapa de

sinterización.

El grafito natural tiene textura menos laminar que el grafito artificial.

In

g

3) El porcentaje de carbono combinado. Carbono combinado: El carbono combinado es el grafito que ha difundido a través del polvo de hierro formando el acero. Las propiedades del acero depende del contenido en carbono combinado.

466

Procesos de Manufactura II La resistencia a la tracción del acero aumenta con el porcentaje de carbono combinado hasta llegar a algo más del 0.8 %, la resistencia a la rotura transversal también aumenta con el contenido en carbono del acero, como se aprecia en la

na

figura. Señalemos además que cuanto mayor es el porcentaje de nitrógeno de la

or

atmósfera, menor proporción de grafito se convierte en carbono combinado. 4) La atmósfera del horno. La

H

Atmósfera

composición de la atmósfera del horno influye en la cantidad de carbono

combinado que se origina en el proceso de la sinterización de compacto hierroraras veces las

ta

grafito. Las atmósferas más empleadas para esta finalidad son endotérmicas, y exotérmicas, cuyos potenciales en carbono se ajustan

os

convenientemente, en función de la temperatura del horno, para evitar

Ac

decarburaciones o carburaciones no deseadas.

Las atmósferas exotérmicas, que ya hemos dicho que apenas se utilizan en la sinterización, contienen mayor concentración de nitrógeno que las endotérmicas y, por lo tanto, repercuten consumiendo mayor cantidad de grafito para conseguir el

D av id

mismo carbono combinado. Temperatura

La difusión del carbono-grafito en los polvos de hierro, que se están sinterizando, tiene lugar a temperatura del orden de los 1025 ºC. 5) La temperatura de sinterización. Atmósfera

composición de la atmósfera del horno influye en la cantidad de carbono

In

g

La

combinado que se origina en el proceso de la sinterización de compacto hierrografito. Las atmósferas más empleadas para esta finalidad son endotérmicas, y raras veces las

exotérmicas, cuyos potenciales en carbono se ajustan

convenientemente, en función de la temperatura del horno, para evitar decarburaciones o carburaciones no deseadas.

467

Procesos de Manufactura II Las atmósferas exotérmicas, que ya hemos dicho que apenas se utilizan en la sinterización, contienen mayor concentración de nitrógeno que las endotérmicas y, por lo tanto, repercuten consumiendo mayor cantidad de grafito para conseguir el

na

mismo carbono combinado. Temperatura

La difusión del carbono-grafito en los polvos de hierro, que se están sinterizando,

or

tiene lugar a temperatura del orden de los 1025 ºC.

H

6) El tiempo de calentamiento. Tiempo:

El tiempo que debe durar el calentamiento del compacto de polvo de hierro y grafito

ta

depende de las dimensiones de la pieza, aunque una permanencia de 30 minutos a la máxima temperatura de sinterización suele ser suficiente.

os

El papel desempeñado por la atmósfera en la sinterización repercute en el tiempo que tarda en sinterizarse, máxime cuando hay posibilidad de formación de óxidos

Ac

superficiales.

Velocidades de calentamiento y de enfriamiento: La velocidad de calentamiento debe ser suficientemente lenta para facilitar la

D av id

volatilización del esterato de importancia como

cinc, la eliminación del mismo no tiene tanta

en la fabricación de piezas de cobre, puesto que a altas

temperaturas el esterato de cinc se quema dando óxido de cinc volátil y monóxido de carbono, que se incorpora al acero aumentando el contenido en carbono. La velocidad de enfriamiento repercute en las propiedades de las piezas sinterizadas, ya que según sea su valor variará la microestructura obtenida. Como que la sinterización tiene lugar a la temperatura propia del campo austenítico, la

In

g

variación de la velocidad de enfriamiento equivale a distintos tratamientos térmicos convencionales. En la práctica siempre se obtiene, el acero al carbono, estructura perlítica más o menos fina.

468

Procesos de Manufactura II 7) La velocidad de calentamiento. Tiempo: El tiempo que debe durar el calentamiento del compacto de polvo de hierro y grafito depende de las dimensiones de la pieza, aunque una permanencia de 30 minutos a

na

la máxima temperatura de sinterización suele ser suficiente. El papel desempeñado por la atmósfera en la sinterización repercute en el tiempo que tarda en sinterizarse, máxime cuando hay posibilidad de formación de óxidos

or

superficiales.

H

Velocidades de calentamiento y de enfriamiento:

La velocidad de calentamiento debe ser suficientemente lenta para facilitar la volatilización del esterato de

en la fabricación de piezas de cobre, puesto que a altas

ta

importancia como

cinc, la eliminación del mismo no tiene tanta

temperaturas el esterato de cinc se quema dando óxido de cinc volátil y monóxido

os

de carbono, que se incorpora al acero aumentando el contenido en carbono. La velocidad de enfriamiento repercute en las propiedades de las piezas

Ac

sinterizadas, ya que según sea su valor variará la microestructura obtenida. Como que la sinterización tiene lugar a la temperatura propia del campo austenítico, la variación de la velocidad de enfriamiento equivale a distintos tratamientos térmicos convencionales. En la práctica siempre se obtiene, el acero al carbono, estructura

D av id

perlítica más o menos fina.

ALEACIONES HIERRO-COBRE En la industria de la automoción y afines ha adquirido gran divulgación la producción de componentes acabados a partir de polvos de hierro y polvos de cobre (o con cobre infiltrado) debido a su elevada resistencia mecánica, su facilidad

In

g

de obtención, sus tolerancias dimensionales y sus reducidos costos. La sinterización de compactos obtenidos con mezclas de polvos de hierro y polvos de cobre implica las siguientes etapas: 1) El enlace de las partículas de hierro entre sí. 2) El enlace de las partículas de hierro con las partículas de cobre. 3) La fusión de cobre. 469

Procesos de Manufactura II 4) La difusión de cobre en el hierro sólido. 5) La disolución y precipitación del hierro en el cobre líquido. ALEACIÓN HIERRO-COBRE-CARBONO

na

La aleación hierro-cobre-carbono, o acero al cobre, tiene más aplicación industrial que la que la aleación hierro-cobre.

or

La aleación hierro-cobre-carbono se obtiene por mezcla de polvos elementales,

semialeados, aleados o introduciendo el cobre por infiltración en piezas de hierro-

H

carbono.

La ventaja del empleo de polvos aleados y, en menor grado de los polvos

ta

semialeados sobre los polvos elementales reside en el incremento de la facilidad de la difusión que tiene lugar, y el mejor control dimensional. Aunque por el

os

contrario los polvos elementales necesita en igualdad de composición menos cobre

Ac

para obtener la misma resistencia.

La resistencia de los compactos de polvos de hierro y polvos de grafito aumenta a medida que se incrementa el contenido en cobre hasta alcanzar un 8 % en cobre. A concentraciones superiores en cobre continúa creciendo la resistencia, aunque

D av id

en menor magnitud, debido a la creciente densificación. Las mejores características de las piezas pulvimetalúrgicas se consiguen por infiltración del cobre en el acero, aunque este procedimiento resulta más complicado y caro.

In

g

ACEROS AL NIQUEL

La importancia de la introducción del níquel en el acero estriba en el aumento de la templabilidad. Ello significa que enfriando desde la zona austenítica a menor velocidad que en los aceros al carbono se obtienen microestructuras de temple.

470

Procesos de Manufactura II Gran cantidad de piezas de acero se fabrican añadiendo 2 % de níquel. Los polvos elementales de níquel excarbonilo se mezclan con polvos de hierro, grafito natural y estearato, se compactan prensando a densidad 6,5 g/cm3, se presinterizan a 800 ºC, se vuelven a prensar a densidad superior a 7,5 g/cm3, se sinterizan a

na

continuación a 1120 ºC y finalmente se calibran para ajustar el control dimensional ACEROS RÁPIDOS

or

Producción de aceros rápidos por pulvimetalurgia

El método convencional utilizado en pulvimetalurgia para compactar aceros obtención de un material poroso, por lo que las piezas

H

conduce a la

manufacturadas de este modo tienen unas características mecánicas limitadas y se utilizan únicamente para determinadas aplicaciones. de

ta

Para conseguir un material totalmente compacto sería necesario repetir el proceso compactación y sinterización varias veces hasta conseguir un cuerpo

Los

métodos

os

totalmente denso. Esta técnica resultaría evidentemente antieconómica. pulvimetalúrgicos

consiguen

con

respecto

a

los

métodos

Ac

convencionales de obtención de acero rápido

ACEROS INOXIDABLES

D av id

Características: Las

propiedades

de

las

piezas

de

acero

inoxidable

fabricadas

pulvimetalúrgicamente vienen notablemente influidas por la contaminación, que procede de la falta de limpieza de los equipos y lubricante, por carburación, oxidación, y nitruración durante el proceso de sinterización y por la presencia de la porosidad.

In

g

La resistencia a la corrosión de las probetas sinterizadas también depende de la atmósfera utilizada en el horno de sinterización así, las piezas sinterizadas en atmósfera de hidrógeno o al vacío se vuelven fácilmente activas, mientras que las procedentes de un

horno protegido por amoníaco disociado dan mejores

resultados en los ensayos de resistencia a la corrosión.

471

Procesos de Manufactura II Obtención de los polvos utilizados: Se obtienen por corrosión de chapa sensibilizada o por atomización con alta

na

velocidad de fluido refrigerante. Raramente se parte de polvos elementales debido a la dificultad de sinterizar

cromo, que en una atmósfera de amoníaco se recubre de una capa de óxido

or

impidiendo la difusión.

H

No obstante, parece que el mejor método empleado para introducir cromo a los

aceros consiste en añadir a la mezcla de polvos la proporción adecuada de polvos de ferrocromo, cuya microestructura sea precisamente la fase sigma. Este polvo se

os

Fabricación de piezas de acero inoxidable:

ta

obtiene pulverizando la fase sigma, compuesto electrónico ordenado, duro y frágil.

Se suele partir de polvos aleados. Los polvos de la serie 300 y de la serie 400 son

Ac

de acero.

Los polvos de acero inoxidable se mezclan con 1 por ciento de estearato de cinc en mezcladores de doble cono durante 25 minutos

y se prensan a densidades

D av id

comprendidas entre 6,4 g/cm3 y 7,1 gm3, según la aplicación a que vaya destinada la pieza.

La etapa más problemática del proceso pulvimetalúrgico del acero inoxidable es la sinterización. Se suele realizar calentando a 1120 ºC durante un período de tiempo superior a 30 minutos, en atmósfera reductora o al vacío.

In

g

ACEROS MARAGING Propiedades de los aceros maraging: Los aceros maraging se caracterizan por su elevado límite elástico, por sus resistencias mecánica y química y por la posibilidad de variar grandemente las propiedades con el tratamiento térmico. En estado hipertemplado son fácilmente deformados y adquieren gran resistencia y conservan la tenacidad por envejecimiento. 472


Fabricación: Partiendo de polvos elementales en estado recocido, se aglomeran a presiones

na

relativamente bajas y la homogeneidad conseguida es deficiente Esta dificultad se soluciona partiendo de polvos aleados obtenidos por atomización, aunque son más difíciles de prensar que los polvos elementales. La resistencia a la

or

tracción, al impacto y a la fatiga mejora considerablemente si se parte de polvos

H

aleados.

METALES REFRACTARIOS, MATERIAL PESADOS Y METALES OXIDADOS INTERMAMENTE

ta

Wolframio:

La principal aplicación del wolframio radica en la fabricación de alambre destinado

os

a boibillas de incandescencia. El polvo se mezcla con aglutinantes de fácil evaporación, como glicerina y alcohol o ceras y gasolina, y se prensa en varillas de

Ac

sección cuadrada a unas 4 Tm/cm2. Las barras dobtenidas son frágiles y deben presinterizarse en hidrógeno a 1000- 1200 ºC para permitir su manejo sin riesgo de desintegración, aumentando la densidad (12-13 g/cm3) y la conductividad.

D av id

APLICACIONES

El wolframio es un componente de las máquinas de alto vacío, se utiliza también para electrodos para soldadura, electrodos para bujías de encendido, navecillas y otros soportes para tratamientos a elevada temperatura, así como en elementos de calentamiento y toberas de reactores y naves espaciales. Molindeno:

In

g

El molibdeno tiene menor punto de fusión y mayor ductilidad que el wolframio, lo cual hace imposible su aplicación como filamento de incandescencia, pero la facilidad de deformación que posee le permite aplicaciones prohibidas para el wolframio. Se utiliza, por ejemplo, como rejilla en los tubos electrónicos de vacío. Se emplea

también en forma de ganchos para filamentos en lámparas

incandescentes y tubos electrónicos, en electrodos de rayos X, en contactos eléctricos y para resistencias de hornos. 473

Procesos de Manufactura II El polvo de molibdeno se obtiene a partir de menas sulfuradas, que por tostación se convierten en trióxido de molibdeno y se reducen con hidrógeno, obteniéndose el metal.

na

Para las aplicaciones pulvimetalúrgicas, el polvo se prensa en barras y, sin presinterizar, se sinteriza haciendo pasar a través del compacto cierta intensidad de corriente de modo que sea inferior en 5-15% a la necesaria para la fusión.

or

Después de la sinterización, se forja, lamina o trefila a 100 ó 300 ºC por debajo de

H

la temperatura de trabajo del wolframio. TANTALO

El tántalo es un metal aplicable en cirugía para restitución de huesos o cartílagos

ta

rotos, para unir huesos, tendones y nervios cortados. La industria química lo utiliza para fabricar contenedores, tuberías, alambiques, agitadores, etc. También

os

se aplica para construir paletas de turbinas de vapor, toberas, válvulas, plumillas de estilográfica, rectificadores, condensadores, cambiadores de calor, pararrayos, etc.

Ac

A veces no hace falta que todo el aparato sea de tántalo, es suficiente con que lo sea el recubrimiento del acero.

Los polvos de tántalo se comprimen formando barras a 5 Tm/cm2 y se sinterizan

D av id

haciendo que lo atraviese el 90 % de la intensidad necesaria para fundir el metal, trabajandose en un horno de vacío. El tiempo empleado suele ser largo debido a la cantidad de gases absorbidos. Hasta los 400 ºC se desprende hidrógeno y pequeñas cantidades de nitrógeno. Después se aumentan el vacío hasta que la temperatura alcanza 1300 ºC, en cuyo momento el carbono residual en el polvo reduce los óxidos, que se van eliminando hasta alcanzar los 2000 ºC. Las condiciones máximas de sinterización del tántalo son 2400 ºC y 0,0005 mm de

In

g

mercurio. MATERIALES PESADOS Existen una serie de materiales metálicos, que en realidad son pseudoaleaciones, cuya característica principal es su elevada densidad.

474

Procesos de Manufactura II Las aplicaciones de estos metales derivan precisamente de esta propiedad; en efecto, se emplean para la absorción de radiaciones electromagnéticas (rayos gamma) y como masa inerte en sistemas en rotación.

na

Una composición típica de uno de estos materiales es wolframio 93%, níquel 5% y cobre 2%. El trataiento de los polvos de estos metales comienza por una mezcla en fase húmeda y la compactación a presiones de 1 Tm/cm2; después se sinterizan a

or

1400 ºC durante una hora en atmósferas de hirógeno, obteniendose así

H

densidades del orden de 17 g/cm3.

Otro método para alcanzar la misma densidad final consiste en prensar y sinterizar wolfraiio primero, de modo que dé una esponja, y luego infiltrar la aleación níquel-

ta

cobre.

os

METALES ENDURECIDOS POR OXIDACIÓN INTERNA

El endurecimiento de los metales se consigue dificultando el deslizamiento de los puede obstaculizarse mediante las

Ac

planos cristalográficos. Dicho deslizamiento

partículas de óxido, de carburo, de nitruro y de otros compuestos estables altas temperaturas dispersas en la matriz metálica. Esta oxidación interna controlada se consigue pulviemtalúrgicamente.

D av id

Las variables que afectan alas propiedades mecánicas de los metales endurecidos por disperxión son las siguientes: Variables geométricas.

a) El tamaño de la partícula dispersa. b) El espacio interparticular. c) la fracción de volumen de fase dispersa.

In

g

Morfología de la partícula. a)La forma. b)La orientación.

c)La distribición dentro de la microestructura. Propiedades mecánicas. a)La dureza de la fase dispersa. b)la resistencia de la fase dispersa. 475

Procesos de Manufactura II Reacción entre fase dispersa y matriz. Energía interfacial. Energía almacenada. Fabricación:

na

Se pueden fabricar metales o aleaciones endurecidos por oxidación interna en fase líquida o sólida.

Fabricación en fase líquida: se aprovecha la relativa insolubilidad de los óxidos más

or

estables en metales líquidos. La fabricación en fase sólida se puede producir:

H

a) Por reacción de precipitación inducida químicamente. b) por mezcla de óxidos.

ta

MATERIALES CON PROPIEDADES FÍSICAS ESPECIALES: CONDUCTIVIDAD Y MAGNETISMO

os

METALES CONDUCTORES Y RESISTENTES.

Las exigencias tecnológicas que plantean modernas industrias de interruptores y

Ac

conmutadores con respecto a los contactos eléctricos son: Baja resistencia eléctrica de contacto, al funcionar con corriente de gran intensidad, y al

mismo tiempo, unas resistencias mecánica y al desgaste elevadas para

soportar las condiciones del arco voltaico en cierre y apertura del circuito.

D av id

Mientras que en la técnica de las corrientes de baja tensión se emplean contactos de metales nobles puros.

Los materiales compuestos (pseudoaleaciones) más importantes y de mayor uso son los siguientes: cobre-wolframio, plata-carburo de wolframio y plata-molibdeno. Debido al elevado punto de fusión del wolframio, del carburo de wolframio y del molibdeno, estos materiales no pueden obtenerse por procedimientos de fusión,

In

g

sino que han de fabricarse mediante los procedimientos de la metalurgia de povos. FABRICACIÓN CON CONTACTOS SINTERIZADOS Material de partida. Mezcla: El prensado: La sinterización: Infiltración: 476

Procesos de Manufactura II La resistencia al desgaste de los materiales para contactos a base de metales de elevado punto de fusión es debida, en primer lugar, a las propiedades del wolframio y del molibdeno. La alta densidad y dureza y el elevado punto de fusión de estos metales se combinan, en los materiales compuestos, con la buena conductividad de los metales plata y cobre. A medida que aumenten el

na

eléctrica y térmica

contenido de wolframio o molibdeno, aumentan también la densidad y dureza de

los materiales compuestos, mientras que la conductividad eléctrica decrece de

or

forma casi lineal.

H

MAGNETISMO

Los imanes tipo alnife (Al/Ni/Fe) y alnico (Al/Ni/Co/Cu/Fe) se fabrican por moldeo o por pulvimetalurgia. La ventaja de la pulvimetalurgia reside en la eliminación de los de oxidación del metal fundido, producción de grietas y oclusiones

gaseosas,

ta

riesgos

segregaciones e impurificaciones por reacción del líquido con las

os

paredes del crisol que lo contiene. La fabricación de imanes a base de polvos metálicos presenta las siguientes etapas: Aglomeración. Sinterización.

Ac

Polvos.

D av id

Proceso especial para ferritas duras.

CARBUROS SINTERIZADOS. (METAL DURO) Los carburos cementados, son productos pulviemtalúrgicos obtenidos a partir de polvos finamente divididos de partículas duras de carburos de metales refractarios ordinariamente wolframio y menos corrientemente titanio, tántalo, niobio, cromo, molilbdeno y vanadio- sinterizados con uno o más metales del grupo del hierro hierro, cobalto o níquel- que constituyen el "cemento" y forman una aleación de

In

g

alta dureza, elevada resistencia a la compresión y al desgaste y resiliencia. FABRICACIÓN El método ordinariamente empleado para obtener carburo de wolframio consiste en mezclar polvos de wolframio de gran pureza con grafito, en raras ocasiones con negro de humo, en un horno de vacío de alta frecuencia o en un horno de resistencia de tubo de carbón en atmósfera de hidrógeno. 477

Procesos de Manufactura II El carburo de wolframio obtenido se muele en seco durante varias horas o incluso días. Los carburos de titanio y de tántalo se preparan análogamente.

na

La mezcla se compacta generalmente en forma de plaquitas (ortoedros alargados que se presinterizan, a fin de darles consistencia, calentando en atmósfera rica en hidrógeno. En esta etapa se debe tener la precaución de eliminar la parafina antes

or

de alcanzar los 400 ºC.

H

Luego se siguen calentando las plaquitas hasta temperaturas comprendidas entre 500-900 ºC. Cuanto mayor es el porcentaje en cobalto, menor es la temperatura de presinterización. En este estadio de su elaboración, las plaquitas se mecanizan

ta

fácilmente.

os

Después se sinterizan calentando, en horno de vacío, a temperaturas comprendidas entre 1300-1500 ºC. En estas condiciones, las plaquitas ya no se

Ac

pueden mecanizar, sino sólo ajustar dimensiones normalmente por electroerosión o por rectificación con muela de diamante y se acaba por lapeado con polvo de

In

g

D av id

diamante.

478

ta

H

CAPITULO V

or

na


Ac

os

EXTRUSION 5.1

EXTRUSION GENERALIDADES

La extrusión es un proceso de formado por compresión, en el cual el material de

D av id

trabajo es forzado a fluir a través de la abertura de un dado para darle forma a su sección transversal. El proceso puede parecerse a apretar un tubo de pasta de dientes. La extrusión es un proceso de formado por compresión en el cual el metal de trabajo es forzado a fluir a través de la abertura de un dado para darle forma a su sección transversal.

Los problemas del material adecuado para el dado, que soporte las temperaturas

g

altas y presiones requeridas para extruir los metales más duros y fuertes, no fueron

In

resueltos sino hasta bien entrado el siglo XX. En nuestros días, es posible extruir con éxito los siguientes metales y sus

aleaciones: Aluminio, cobre, plomo y acero, aunque para este último se requiere una técnica especial. 240

Procesos de Manufactura II Características principales: Necesidad de grandes fuerzas de prensado (de 2.000 a 20.000 Tn)



Grandes reducciones de sección (20:1 en acero, hasta 100:1 en aluminio)



Se puede extruir una gran variedad de formas, especialmente en caliente; sin

Ac

os

ta

H

or

na



embargo, una limitación de la geometría es que la sección transversal debe ser la misma a lo largo de toda la parte 

D av id

la estructura del grano y las propiedades de resistencia se mejoran con la extrusión



Son posibles tolerancias muy estrechas.



Poco o ningún material de desperdicio

La extrusión data desde 1800. Las ventajas de los procesos modernos incluyen: 1)

se puede extruir una gran variedad de formas, especialmente con extrusión en caliente; sin embargo, una limitación es la geometría de la sección transversal que debe ser la

g

misma a lo largo de toda la parte; 2) la estructura del grano y las propiedades de

In

resistencia se mejoran con la extrusión en frío o en caliente; 3) son posibles tolerancias muy estrechas, en especial cuando se usa extrusión en frío; 4) en algunas operaciones de extrusión se genera poco o ningún material de desperdicio.

241


TIPOS DE EXTRUSIÓN La extrusión se lleva a cabo de varias maneras. Una forma de clasificar a estas

operaciones es atendiendo a su configuración física, se distinguen dos tipos principales:

na

extrusión directa y extrusión indirecta. Otro criterio es la temperatura de trabajo: en frío, en tibio o en caliente. Finalmente el proceso de extrusión puede ser continuo o discreto.

or

Este proceso de compresión indirecta es esencialmente de trabajo en caliente, donde un lingote fundido de forma cilíndrica, se coloca dentro de un fuerte contenedor

H

de metal y comprimido por medio de un émbolo, de manera que sea expulsado a través del orificio de un dado.

ta

El metal expulsado o extruido toma la forma del orificio del dado. El proceso puede llevarse a cabo por dos métodos llamados: extrusión directa, donde el émbolo está

os

sobre el lingote en el lado opuesto al dado y el metal es empujado hacia el dado por el movimiento del émbolo Fig. 5.1 (a), o extrusión indirecta, en la cual el dado y el émbolo están del mismo lado del lingote y el dado es forzado dentro del lingote, por el

In

g

D av id

Ac

movimiento del émbolo.

Figura 5.1. Métodos de Extrusión.

242

Procesos de Manufactura II La extrusión es un método relativamente nuevo en la fabricación de piezas metálicas. Originalmente fue desarrollado para la fabricación de tubo de plomo por los sistemas

na

victorianos de agua y gas. Extrusión directa versus extrusión indirecta La extrusión directa (también llamada extrusión hacia adelante) se ilustra en la figura 3.35. Un tocho de metal se

or

carga a un recipiente y un pisón comprime el material forzándolo a fluir a través de una o más aberturas que hay en un dado situado al extremo opuesto del recipiente. Al

H

aproximarse el pisón al dado, una pequeña porción del tocho permanece y no puede forzarse a través de la abertura del dado. Esta porción extra llamada tope o cabeza, se

Ac

os

ta

separa del producto, cortándola justamente después de la salida del dado.

D av id

Figura Nº 5.2

Un problema en la extrusión directa es la gran fricción que existe entre el tocho y

la pared interna del recipiente al forzar el deslizamiento del tocho hacia la abertura del dado. Esta fricción ocasiona un incremento sustancial de la fuerza requerida en el pisón para la extrusión directa. En la extrusión en caliente este problema se agrava por la presencia de una capa de óxido en la superficie del tocho que puede ocasionar defectos en los productos extruidos. Para resolver este problema se usa un bloque

g

simulado entre el pisón y el tocho de trabajo, el diámetro del bloque es ligeramente

In

menor que el diámetro del tocho, de manera que en el recipiente queda un anillo metal de trabajo (capas de óxido en su mayoría), dejando el producto final libre de óxidos. En la extrusión directa se pueden hacer secciones huecas (por ejemplo, tubos) por

medio del proceso que se ilustra en la figura 5.2. El tocho inicial se prepara con una

243

Procesos de Manufactura II perforación paralela a su eje. Esto permite el paso de un mandril que se fija en el bloque simulado. Al comprimir el tocho, se fuerza al material a fluir a través del claro entre el mandril y la abertura del dado. La sección transversal resultante es tubular.

na

Otras formas semihuecas se extruyen usualmente de esta misma manera.

El tocho inicial en la extrusión directa es generalmente redondo, pero la forma final queda determinada por la abertura del dado. Obviamente la dimensión más grande de

or

la abertura del dado debe ser más pequeña que el diámetro del tocho. La extrusión

directa hace posible una infinita variedad de formas en la sección transversal. Algunas

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

posibilidades se ilustran en la figura 5.3.

Figura Nº 5.3 o semihueca; (b) hueca y (c) semihueca 244

Procesos de Manufactura II En la extrusión indirecta, también llamada extrusión hacia atrás o extrusión inversa (figura 5.4), el dado está montado sobre el pisón, en lugar de estar en el extremo opuesto del recipiente. Al penetrar el pisón en el material de trabajo fuerza al

na

metal a fluir a través del claro en una dirección opuesta a la del pisón. Como el tocho no se mueve con respecto al recipiente, no hay fricción en las paredes del recipiente. Por

consiguiente, la fuerza del pisón es menor que en la extrusión directa. Las limitaciones

or

de la extrusión indirecta son impuestas por la menor rigidez del pisón hueco y la

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

dificultad de sostener el producto extruido tal como sale del dado.

Figura Nº 5.4

La extrusión indirecta puede producir secciones huecas, como las de la figura 5.5.

En este método el pisón presiona en el tocho, forzando al material a fluir alrededor del pisón y tomar una forma de copa. Hay limitaciones prácticas en la longitud de la parte 245

Procesos de Manufactura II extruida que pueden resolverse por este método. El sostenimiento del pisón se

os

ta

H

or

na

convierte en un problema a medida que la longitud del trabajo aumenta.

Ac

Figura Nº 5.5

Extrusión en frío versus extrusión en caliente La extrusión se puede realizar ya sea en frío o en caliente, dependiendo del metal de trabajo y de la magnitud de la

D av id

deformación a que se sujete el material durante el proceso. Los metales típicos que se extruyen en caliente son: aluminio, cobre, magnesio, zinc, estaño y sus aleaciones. Estos mismos materiales se extruyen algunas veces en frío. Las aleaciones de acero se extruyen usualmente en caliente, aunque los grados mas suaves y más dúctiles se extruyen algunas veces en frío (por ejemplo, aceros de bajo carbono y aceros inoxidables). El aluminio es probablemente el metal ideal para extrusión (en caliente o en frío), muchos productos comerciales de aluminio se hacen por este proceso (por ejemplo, perfiles estructurales y marcos, para puertas y ventanas).

g

La extrusión en caliente involucra el calentamiento previo del tocho a una

In

temperatura por encima de su temperatura de cristalización. Esto reduce la resistencia y aumenta la ductilidad del metal, permitiendo mayores reducciones de tamaño y el logro de formas más complejas con este proceso. Las ventajas adicionales incluyen reducción de la fuerza en el pisón, mayor velocidad del mismo y reducción de las

246

Procesos de Manufactura II características del flujo de grano en el producto final. La lubricación es un aspecto crítico de la extrusión en caliente de ciertos metales (por ejemplo acero), y se han desarrollado lubricantes especiales que son efectivos bajo las condiciones agresivas de

na

la extrusión en caliente. Algunas veces se usa el vidrio como lubricante de la extrusión

en caliente; además de reducir la fricción proporciona aislamiento térmico efectivo entre el tocho y el recipiente de extrusión.

or

En general, la extrusión en frió y la extrusión en tibio se usan para producir partes discretas, frecuentemente en forma terminada (o en forma casi terminada). El término

H

extrusión por impacto se usa para indicar una extrusión fría de alta velocidad. Algunas ventajas importantes de la extrusión en frío incluyen mayor resistencia debida al endurecimiento por deformación, tolerancias estrechas, acabados superficiales

ta

mejorados, ausencia de capas de óxidos y altas velocidades de producción. La extrusión en frío a temperatura ambiente elimina también la necesidad de calentar el

os

tocho inicial.

Procesamiento continúo versus procesamiento discreto Un verdadero

Ac

proceso continuo opera con estabilidad por un periodo indefinido de tiempo. Algunas operaciones de extrusión se aproximan a este ideal, produciendo secciones muy largas en un solo ciclo, pero estas operaciones quedan al fin limitadas por el tamaño del tocho que se puede cargar en el contenedor de extrusión. Estos procesos se describen más

D av id

precisamente como operaciones semicontinuas. En casi todos los casos las secciones largas se cortan en longitudes más pequeñas en una operación posterior de corte o aserrado.

En una operación discreta se produce una sola parte o pieza en cada ciclo de

extrusión. La extrusión por impacto es un ejemplo de este caso de procesamiento discreto. 5.3

ANÁLISIS DE LA EXTRUSIÓN

g

Usaremos la figura 5.6 como referencia para nuestra revisión de algunos

parámetros de extrusión. El diagrama asume que tanto el tocho como la extrusión

In

tienen una sección redonda transversal.

247

or

na


H

Figura Nº 5.6

Un parámetro importante es la relación de extrusión también llamada relación de

Ac

os

ta

reducción. La relación se define como:

La relación se aplica tanto para la extrusión directa como para la indirecta. El valor de rx se puede usar para determinar el esfuerzo real en la extrusión, dado que la deformación

D av id

ideal ocurre sin fricción y sin trabajo redundante:

La presión aplicada por el pisón para comprimir el tocho a través de la abertura del

dado se describe en la figura 5.7 y se puede calcular bajo la suposición de deformación

In

g

ideal como sigue:

De hecho, la extrusión no es un proceso sin fricción, y las ecuaciones anteriores 248

Procesos de Manufactura II subestiman totalmente la deformación y la presión en una operación de extrusión. La fricción existe entre el dado y el material de trabajo, a medida que el tocho se comprime y pasa a través de la abertura del dado. En la extrusión directa, también existe la

na

fricción entre la pared interna del contenedor y la superficie del tocho. La fricción

incrementa la deformación experimentada por el metal. Por tanto, la presión real es mayor que la obtenida en la ecuación, que supone una extrusión sin fricción.

or

Se han sugerido varios métodos para calcular la deformación real y la presión del pisón asociada en la extrusión. La siguiente ecuación empírica propuesta por Johnson

ta

H

[6] para estimar la deformación de extrusión ha ganado considerable reconocimiento:

= deformación de extrusión, a y b son constantes empíricas para el ángulo del

dado. Los valores

Ac

x

os

Donde

típicos de estas constantes son a = 0.8 y b = 1.2 a 1.5. Los valores de a y b tienden a

D av id

aumentar cuando se incrementa el ángulo del dado. La presión del pisón para desempeñar la extrusión indirecta se puede estimar con

base en la fórmula de Johnson para la deformación de extrusión como sigue: p = Yf x (3.28a)

Donde Yf se calcula con base en la deformación ideal, en lugar de la deformación de

extrusión.

g

En la extrusión directa, el efecto de fricción entre las paredes del recipiente y el

In

tocho ocasiona que la presión del pisón sea más grande que para la extrusión indirecta. Podemos escribir la siguiente expresión que aísla la fuerza de fricción en el recipiente de la extrusión directa:

249

Ac

os

ta

H

or

na


El miembro a la derecha de la ecuación indica la fuerza de fricción entre el tocho y la

D av id

pared del contenedor, el lado izquierdo, la fuerza adicional del pisón para superar dicha fricción,

En el peor de los casos, ocurre adherencia a la pared del recipiente con lo cual el

In

g

esfuerzo de fricción iguala la resistencia a la fluencia cortante del metal de trabajo:

Con base en este razonamiento se puede usar la siguiente formula para calcular 250


H

or

na

la presión del pisón en la extrusión directa:

Donde

ta

El término 2LD/Do representa la presión adicional debida a la fricción en la interfase contenedor -tocho. L es la porción de la longitud del tocho remanente para extruirse y

os

Do es el diámetro original del tocho.

Nótese que p disminuye al reducirse la longitud remanente del tocho durante el

Ac

proceso. En la figura 5.7 se presentan las curvas típicas de la presión del pisón en función de la carrera del pisón para la extrusión directa e indirecta. La ecuación probablemente sobreestima la presión del pisón. Las presiones podrían ser menores

D av id

que los valores calculados por esta ecuación con una buena lubricación. La fuerza del pisón en la extrusión directa o indirecta es simplemente la presión p

de la ecuación multiplicada por el área del tocho AO. F = pA o

Donde F = fuerza del pisón en extrusión, (N). El requerimiento de potencia para llevar a cabo la operación de extrusión es simplemente:

g

P =Fv Donde

In

P = potencia, (J/s); F = fuerza del pisón, (N); v = velocidad del pisón, (m/s).

251

Ac

os

ta

H

or

na


FIGURA 5.7 Gráficas típicas de la presión contra la carrera del pison (y la longitud remanente del tocho) para extrusión directa e indirecta. Los valores más altos de la

D av id

extrusión directa resultan de la fricción en las paredes del recipiente. La forma de la acumulación de la presión al inicio de la gráfica depende del ángulo del dado (mayores ángulos del dado significan acumulaciones de presión más pronunciadas). El incremento de presión al final de la carrera se relaciona con la formación del tope. EJEMPLO 3.3 Presiones de extrusión Un tocho de 76 mm de largo y 25 mm de diámetro se extruye en una operación de extrusión directa con una rx = 4.0. La

g

extrusión tiene una sección recta transversal. El ángulo del dado (medio ángulo) = 90º. El metal de trabajo tiene un coeficiente de resistencia = 414 Mpa y un exponente de

In

endurecimiento por deformación = 0.18. Use la fórmula de Johnson con a = 0.8 y b = 1.5 para estimar el esfuerzo de extrusión. Determine la presión aplicada al extremo del tocho cuando el pisón se mueve hacia adelante. Solución

252

Procesos de Manufactura II Examinamos la presión del pisón a las longitudes del tocho de L = 76 mm (valor inicial), L = 50 mm, L = 25 mm y L = 0. Calculamos la deformación real ideal, la deformación de

or

na

extensión usando la fórmula de Johnson y el esfuerzo de fluencia promedio:

H

Para L = 76 mm con un ángulo en el dado de 90º, se asume que el tocho será forzado a través de la abertura del dado casi inmediatamente; entonces nuestro cálculo

ta

asume que la presión máxima se alcanza a las longitudes del tocho de 76 mm. Para ángulos del dado menores a 90º, la presión podría acumularse a un máximo, como en

os

la figura 5.7, al comprimirse el tocho inicial dentro de la porción en forma de cono del

D av id

Ac

dado de extrusión. Usando la ecuación 3.28b.

L = 0: La longitud 0 es un valor hipotético en extrusión directa. En realidad es imposible comprimir todo el metal a través de la abertura del dado. En su lugar, una porción del tocho (el tope) permanece sin extruir y la presión empieza a aumentar rápidamente conforme L se aproxima a cero. El incremento de presión al final de la carrera se observa en la gráfica de la presión del pisón contra la carrera del pisón en la figura 5.7.

g

El próximo cálculo es el valor mínimo hipotético de la presión del pison que podría

In

resultar cuando L = 0.

253

na


or

FLUJO DEL METAL DURANTE LA EXTRUSION

Cada proceso de trabajo involucra la aplicación de una fuerza o esfuerzo a la

H

superficie del metal, para provocarle un flujo y un cambio de forma. Es importante conocer la relación entre las fuerzas aplicadas y las direcciones del flujo, de manera

ta

que las formas finales requeridas y predecibles puedan producirse. El primer intento para estudiar el flujo del metal fue hecho por Siebel quien taladró agujeros verticales en una placa de hierro forjado y luego los obturó con pernos de hierro forjado. Esta placa

os

se calentó y se pasó parcialmente por una parte de la trayectoria entre los rodillos de un molino de laminación. La pieza fue removida y seccionada longitudinalmente para

D av id

Ac

exponer los pernos como aparecen en la Fig. 5.8.

In

g

Figura Figura Nº 5.837. Estirado de alambre.

Siebel argumentaba que con esta técnica era posible eslabonar en una muestra

el metal que había sido deformado, con el metal que estaba sometido a deformación en el límite de la pasada del rodillo. Un examen de la sección muestra que la deformación empieza en la superficie, por un deslizamiento hacia adelante y que es necesaria cierta

254

Procesos de Manufactura II reducción mínima antes que el efecto haya penetrado hasta el centro. También puede ser visto que para una reducción dada en el espesor, el patrón de deformación permanece constante, hasta que la deformación es completa. A este tipo de patrón de

na

deformación se le llama casi estático y es independiente del tiempo de duración del ciclo de deformación. Los conocimientos ganados con el experimento de Siebel,

tomaron en cuenta el tipo de extremos del producto producido, esto es, las puntas y

or

colas del tubo, que en la práctica requieren recortarse. Los defectos y métodos de mejoramiento del flujo del metal también pudieron ser considerados y en consecuencia,

H

la calidad del producto fue sugerida. Desde esta investigación inicial de Siebel, el flujo del metal se ha investigado en todos los procesos de deformación, usando técnicas más sofisticadas y los resultados de ambas deformaciones, cualitativas y cuantitativas.

ta

La extrusión probablemente ha sido el proceso que más se ha investigado y Pearson ha hecho la más grande contribución al conocimiento del flujo del metal. El mayor

os

problema cuando el flujo de metal se examina en la extrusión, es el hecho de que el patrón del flujo se altera con el tiempo, durante el ciclo de deformación. La técnica

Ac

simple usada por Siebel en el laminado, no puede, por tanto, usarse en la extrusión y se requiere una investigación más detallada.

D av id

En principio, la mejor técnica sería hacer una película del patrón de deformación

durante todo el ciclo. Esta entonces podría proyectarse en cámara lenta de manera que el patrón de deformación pudiera ser seguido por todo el ciclo. Esta técnica aún no se ha usado en gran escala, pero ofrece posibilidades para el futuro.

g

Es importante que el método de investigación no tenga influencia sobre el patrón

de flujo. Siebel reconoció esto cuando obturó los agujeros con el mismo material de la

In

placa, es decir, hierro forjado. El hecho de que los pernos se aflojaran demostró que su premisa no era válida, ya que la presencia de los agujeros aun cuando rellenados, de hecho influyeron en el patrón de flujo. Sin embargo, al investigarse el flujo en la extrusión, puede aprovecharse el hecho de que debido a que el patrón de flujo es 255

Procesos de Manufactura II simétrico axialmente, no pueden existir esfuerzos de corte en planos longitudinalmente axiales. En otras palabras, si un lingote se corta longitudinalmente por la mitad y las dos mitades se colocan juntas y extruidas a través de un dado, que esté colocado

na

axialmente, el hecho de que el lingote esté cortado, no afectará el flujo. Por otro lado, si

el dado se coloca asimétricamente, entonces es obvio que el lingote cortado, fluirá en

D av id

Ac

os

ta

H

or

forma diferente a otro que no esté cortado, como se muestra en la Fig. 5.9.

Figura 38 Figura Nº 5.9

Pearson obtuvo una considerable cantidad de información, extruyendo un lingote cilíndrico de estaño que había sido cortado en mitades a lo largo del eje y rayadas con un patrón regular de rejilla, sobre las interfaces planas y amarradas juntas con alambre. La extrusión fue fácilmente separada a lo largo del plano axial y la deformación

g

cuantitativamente impuesta desde el límite de distorsión de la rejilla. El identificó tres patrones básicos: A, B y C, asociados con tres maneras de deformación, más tarde

In

atribuidas a diferencias de fricción entre el lingote y las paredes de la cámara de extrusión (Fig. 5.10).

256

os

ta

H

or

na


Ac

Figura 5.10

En el patrón de flujo tipo A, no hay fricción entre el lingote y el contenedor y el metal se

D av id

desliza hacia la región del dado, sin deformación a todo lo largo. Esto se demuestra por el hecho de que las líneas horizontales del patrón de la rejilla permanecen así hasta que llegan a la vecindad del dado. Cerca del dado, el lado exterior del lingote es detenido por los hombros del contenedor mientras que la región central fluye fácilmente dentro del dado. Esto produce la desviación de las líneas horizontales. El grado de desviación aumenta cuando la cola del lingote se acerca al dado. Esto es importante para el extremo final del tubo, lo cual ocurre siempre en los metales extruidos por la disminución en la carga de extrusión durante los últimos pasos del ciclo, justamente

g

antes de la rápida elevación final. El patrón de flujo tipo A es típico del proceso de

In

extrusión indirecta, cuando el dado es empujado dentro del lingote y no hay movimiento relativo entre éste y el contenedor.

257

Procesos de Manufactura II En el patrón de flujo tipo B, hay una cierta cantidad de fricción entre el lingote y el contenedor y esto tiende a retener el metal hacia atrás, cuando se está moviendo hacia el dado. Esto provoca desviación al principio de la etapa, antes que el metal alcance la

na

vecindad del dado. Al principio del ciclo, las desviaciones son mucho más severas y un

ducto más profundo se forma en el metal. El tipo C, muestra el patrón de flujo cuando hay fricción adhesiva entre el lingote y el contenedor. La zona muerta del metal, la cual

or

se forma en los hombros del dado, crece muy rápidamente y se extiende hacia atrás del émbolo. El flujo ocurre por corte a lo largo de un plano que está bajo la superficie,

H

tomado de un trabajo sobre la extrusión de aluminio, por C. Smith.

Mientras que el patrón de flujo tipo A es típico de la extrusión indirecta, el tipo C es

ta

típico de la extrusión directa de los metales duros, tales como el cobre y el aluminio. Este patrón de extrusión tipo C da lugar a dos clases de defectos. El primero es

os

"defecto de extrusión", esto ocurre porque el flujo se realiza por corte bajo la superficie, el metal más exterior está inmóvil y es sacado por el émbolo con una acción similar a la

D av id

Ac

de un removedor de nieve (ver Fig. 5.11).

Figura 5.11. Defecto de extrusión.

g

El metal de la zona muerta A no fluye, Fig. 5.11 (a). El émbolo saca el metal inmóvil, el cual entonces puede empezar a fluir a lo largo de C dentro de la región central del

In

lingote. Desafortunadamente el metal de la zona muerta A contiene material oxidado en la superficie y cuando éste entra a la extrusión produce el "defecto de extrusión" que vuelve al material inaceptable. Una forma de evitar que ocurra este defecto, es usar un cojín de presión entre el émbolo y el lingote, que es de diámetro menor al del lingote 258

Procesos de Manufactura II Este deja una calavera delgada sobre la pared de la cámara que incluye el metal

na

oxidado de la superficie.

Figura 5.12 . Sección fundida de una barra redonda con desprendimiento

or

Del núcleo, como resultado del defecto de extrusión.

H

La segunda clase de defecto introducida por el patrón de flujo tipo C, es el 'agrietamiento de abeto". Puesto que el flujo tiene lugar por corte bajo la superficie, la

ta

deformación y las velocidades de deformación en la región de corte, ambas deben ser muy altas.

os

Esto puede producir condiciones de deformación adiabática y la elevación de temperatura resultante puede exceder la temperatura de solidificación del metal

Ac

produciendo fusión incipiente.

El metal extruido no tiene ductilidad y la eyección desde el dado se realiza con

D av id

estallidos esporádicos para dar la muy característica apariencia de abeto. Esto tiende a ocurrir en aquellas aleaciones de aluminio, donde la diferencia entre la temperatura

In

g

mínima para trabajo en caliente y la temperatura de solidificación es pequeña.

Figura 5.13. Aumento de los grandes granos periféricos.

259

Procesos de Manufactura II El intento para evitar la fusión incipiente por el uso de velocidades más bajas del émbolo puede conducir al problema de grandes granos periféricos (Fig. 5.13). Esto ocurre si el lado exterior del lingote es enfriado abajo de la temperatura de

na

recristalización, por el contacto con la pared del contenedor más fría. Después de la

extrusión, el calor fluye desde el centro de la pieza extruida a las capas exteriores, elevándose desde abajo hasta arriba de la temperatura de recristalización. Por las

or

condiciones especiales de extrusión de estas capas, la cantidad de trabajo en frío que se ha efectuado, es aquella cantidad crítica que resulta en la producción de granos

H

extremadamente grandes en la recristalización. Este material de grano grande tiene tan baja ductilidad que otra vez es inaceptable. C.S. Smith investigó el problema de la extrusión de tales aleaciones de aluminio y encontró que debe ser ejercido

ta

conjuntamente un control muy estrecho sobre la temperatura de extrusión y la velocidad

os

del émbolo para producir un material aceptable.

El patrón de flujo en la extrusión es muy complejo y está cambiando continuamente durante todo el ciclo. Sin embargo, mucho trabajo se ha llevado a cabo

Ac

para entender y explicar tales patrones, y del conocimiento obtenido los defectos de extrusión se han estudiado y métodos para minimizarlos o aun para eliminarlos, también se han inventado.

D av id

DISTRIBUCION DE TEMPERATURA EN LA EXTRUSION La mayoría de la extrusión industrial es esencialmente un proceso de trabajo en

caliente donde el lingote se calienta a una temperatura uniforme antes de in-sertarlo en el contenedor. No obstante que el contenedor se calienta siempre a una temperatura más baja que el lingote con el resultado de que el exterior de éste tiende a enfriar una vez que hace contacto con el contenedor. Esto ocurre al principio del ciclo de extrusión

In

g

s las capas exteriores del lingote son continuamente enfriadas durante el resto del ciclo.

La deformación no es uniforme a través de la sección. De hecho se encuentra a

lo largo de ciertos planos de corte, dando origen a muy altas reducciones localizadas, acompañadas por extremadamente altas velocidades de extrusión. 260

Procesos de Manufactura II Las velocidades de deformación en estas zonas pueden ser tales que provoquen considerables elevaciones de temperatura, bajo condiciones esencialmen-te adiabáticas. Si estas elevaciones son excesivas, entonces el metal puede exce-der su

na

punto de fusión dando origen a fusión incipiente, y el metal extruido co-mo se explicó al principio será expulsado desde la apertura del dado, en forma de explosiones, para dar

Ac

os

ta

H

or

la clásica fractura de "abeto".

Figura 5.14.

D av id

Si se hace un intento para eliminar la fractura de abeto disminuyendo la temperatura de precalentamiento del lingote, existe el riesgo de que se produz-can grandes granos periféricos, disminuyendo las propiedades mecánicas del material extruido. La explicación de la formación de estos granos grandes se ha dado en la Fig. 5.14. Este es un problema particularmente severo para las aleaciones de aluminio y ha sido estudiado por Smith. Una ilustración de este fenómeno se ha dado en la Fig.. Smith concluye que para evitar granos grandes periféricos y fusión incipiente, es

g

necesario imponer un control preciso de la temperatura de recalenta-miento del lingote,

In

temperatura del contenedor y velocidad del émbolo como se muestra en la Tabla 5.1.

261

H

or

na


Tabla5.1. Temperaturas típicas de extrusión y velocidades para algunas

ta

aleaciones de aluminio.

os

La variación de la temperatura en el interior del metal durante la deformación como se ilustró antes tiene una influencia controlada sobre las propiedades del producto A

Ac

propuestas. De Smith se investigaron los parámetros de operación y se propusieron guías para la eliminación de los mayores defectos del producto. Tanner y Johnson han deducido un método más preciso que la versión cualitativa simplificada dada antes, para determinar la distribución de temperaturas en la extrusión. Los problemas de

D av id

transferencia de calor no existen durante la deformación adiabática y Johnson y Tanner investigaron procesos comerciales de extrusión a fin de encontrar qué tan cerca están de las condiciones adiabáticas. Ellos concluyeron que fueron muy precisos con las velocidades del émbolo de 25 mm, condición que se vio para aplicar en los procesos industriales listados en la Tabla 5.1. 5.4

DADOS Y PRENSAS DE EXTRUSIÓN

Los factores importantes en un dado de extrusión son el ángulo del dado y la

g

forma del orificio. El ángulo del dado, más precisamente la mitad del ángulo del dado,

In

es el ángulo π de la figura. Para ángulos menores, el área superficial del dado aumenta, así como también la fricción en la interfase dado-tocho. Mayor fricción significa mayor fuerza en el pisón. Por otra parte, un ángulo grande del dado ocasiona mayor turbulencia del flujo de metal durante la reducción, y también incremento en la

262

Procesos de Manufactura II fuerza requerida del pisón. El efecto del ángulo del dado sobre la fuerza del pisón es una función en forma de U como se muestra en la figura 3.41(b). Existe un ángulo óptimo del dado, como lo sugiere nuestra gráfica hipotética. Este ángulo depende de

na

varios factores como material de trabajo, temperatura del tocho y lubricación; en consecuencia, es difícil determinarlo para un trabajo de extrusión. Los diseñadores de

Ac

os

ta

H

or

dados usan reglas empíricas para decidir el ángulo apropiado.

D av id

Figura Nº 5.15

Las ecuaciones previas para la presión del pisón, se aplican a los orificios

circulares del dado. La forma del orificio del dado afecta la presión requerida del pisón en una operación de extrusión. Una sección transversal compleja, requiere más presión y fuerza que una sección circular. El efecto de la forma del orificio del dado puede

g

valorarse por el factor de forma, definido como la relación entre la presión requerida para extruir una sección transversal de la forma dada y la presión de extrusión para una

In

sección redonda de la misma área. Podemos expresar el factor de forma como sigue:

263

na


or

Donde:

Cx = perímetro de la sección transversal extruida, (mm);

H

kx = factor de forma del dado en extrusión;

D av id

Ac

os

ta

Cc = perímetro de un círculo de la misma área que la forma extruida, (mm)

Figura Nº 5.16 (foto cortesía de Aluminum Company of América). La ecuación se basa en los datos empíricos en una escala de valores de

C x

desde

1.0 hasta cerca de 6.0. La ecuación puede no ser válida para valores mayores al límite C

g

c superior de esta escala.

Como indica la ecuación el factor de forma es una función del perímetro de la

In

sección transversal del material extruido, dividida por el perímetro de una sección circular de área igual. Una forma circular es la forma más simple con un valor de Kx = 1.0. Las secciones huecas de superficies delgadas tienen factores de forma más altos y difíciles de extruir. 264

Procesos de Manufactura II El aumento de la presión no se incluye en nuestras ecuaciones anteriores para la presión, los cuales se aplican solamente para secciones transversales redondas, ecuación. Para formas distintas a la redonda la expresión correspondiente para una

or

na

extrusión indirecta es:

os

ta

H

y para extrusión directa:

Ac

Los otros términos tienen el mismo significado de antes. Los valores de la presión obtenidos por estas ecuaciones pueden usarse en la ecuación para determinar la fuerza del pisón.

Los materiales para dados de extrusión en caliente incluyen aceros de

D av id

herramienta y aceros aleados. Las propiedades más importantes de estos materiales son alta resistencia al desgaste, alta dureza en caliente y alta conductividad térmica para remover el calor del proceso. Los materiales para dados de extrusión en frío incluyen aceros de herramienta y carburos cementados. Sus propiedades deseables son resistencia al desgaste y buena disposición para retener su forma bajo altos esfuerzos. Los carburos se usan cuando se requieren altas velocidades de producción, larga vida de los dados y buen control dimensional.

g

Las prensas de extrusión pueden ser horizontales o verticales, dependiendo de la

orientación de los ejes de trabajo. Los tipos horizontales son los más comunes. Las

In

prensas de extrusión son accionadas normalmente por fuerza hidráulica, la cual es especialmente apropiada para producción semicontinua de secciones largas, como en la extrusión directa. Frecuentemente se usa la pulsión mecánica para extrusión en frío de partes individuales, tales como la extrusión por impacto. 265

Procesos de Manufactura II PRENSA DE EXTRUSIÓN DIRECTA Una prensa típica para la extrusión de aleaciones de cobre, sería de alrededor de

na

5000 ton de capacidad de carga en el émbolo, y consistiría de una pesada placa de acero recubierta con una aleación de acero resistente al calor. Este podría acomodar un

lingote de 560 mm de diámetro y 1 m de longitud. Ajustado dentro del contenedor

or

mencionado estaría un émbolo que tenga un diámetro menor que el barreno interior del

contenedor. El propósito de este claro es doble, minimizar la fricción entre el émbolo y

H

el contenedor y también permitir una calavera de metal para ser dejada después que el lingote ha sido extruido. La razón para esta calavera de metal será explicada más adelante. Un cojincillo de presión precalentado se coloca entre el émbolo y el lingote a

ta

fin de prevenir el enfriamiento de la cola del lingote caliente desde el émbolo. El dado de extrusión está hecho de acero para herramienta resistente al calor y la forma del

os

orificio junto con el orificio del soporte o paralelo son cuidadosamente preparados por el

D av id

Ac

herramentero de la caseta de dados.

In

g

Figura 5.17 . Gráfica carga - movimiento.

El lingote fundido de dimensiones apropiadas a la prensa de extrusión y el

producto se calienta a la temperatura de trabajo en caliente. Como una regla

266

Procesos de Manufactura II aproximada ésta es de dos terceras partes de la temperatura de fusión en grados K, por ejemplo, aluminio 600 K, cobre 800 K.

na

El lingote calentado se coloca en el contenedor, seguido por el cojincillo de presión, caliente. El émbolo se coloca en el contenedor y se aplica la presión. Cuando se opera, el lingote es recalcado y comprimido haciendo contacto por todos lados con el

or

contenedor. Entonces incrementando la presión, el lingote es extruido a través del orificio del dado. El metal sale del dado y corre sobre una canal. Colocando celdas de el ciclo de extrusión como se muestra en la Fig. 5.17.

H

carga sobre el émbolo de extrusión, es posible seguir los cambios de la carga durante

ta

La carga se eleva bruscamente, mientras el lingote está siendo recalcado, pero una vez que co-mienza la extrusión la carga desciende. La rapidez de descenso es

os

constante hasta que se ha extruido aproximadamente el 85% del lingote, cuando ocurre un paro súbito, seguido de una elevación m ' uy rápida hasta alcanzar la capaci-dad de

Ac

carga de la prensa.

En este punto la extrusión debe detenerse. Esto ocurre mientras aún hay alrededor del 5 al 10% del sobrante del lingote y éste debe descartarse. La razón para esta elevación final de la carga es fácil de explicar, es la misma razón por la que es

D av id

imposible extruir la última pizca de pasta de dientes del tubo. Durante las primeras etapas de la extrusión, la fuerza aplicada debe provocar que el metal fluya hacia el dado, a lo largo de una trayectoria diagonal. Al final del ciclo de extrusión, la dirección del flujo del metal, llega a ser más y más perpendicular a la línea de acción de la fuerza aplicada.

Las razones para las otras características del diagrama carga/movimiento del

In

g

émbolo, se explicarán más adelante.

267

ta

H

or

na


Figura 5.18. Esquema del flujo y la fuerza en un proceso de extrusión.

os

Puesto que siempre hay una pequeña cantidad de metal remanente, después que se completa la extrusión, significa que debe prevenirse la remoción del dado y

Ac

expulsar el descarte.

La extrusión de cable forrado es un interesante ejemplo del proceso de extrusión

D av id

directa. La Fig. 5.18 muestra una prensa vertical. El metal líquido se vacía en el contenedor, el cual es enfriado por vapor que pasa a través de unos agujeros cuadrados. Se impulsa el émbolo hacia abajo hasta que hace contacto con el plomo fundido, el cual se deja solidificar antes de aplicar una mayor presión por el movimiento del émbolo. Esto está sincronizado con el movimiento de izquierda a derecha del cable y el plomo es extruido como un tubo a través del orificio anular entre el cable y el dado. Puesto que la extrusión se detiene mientras todavía hay plomo en el contenedor, la

g

siguiente adición de metal líquido causará una fusión parcial, dejando a los óxidos flotar

In

en la superficie y entonces la resolidificación da un lingote continuo, listo para el siguiente elemento de extrusión. De esta manera, una longitud continua de forro sin uniones puede ser producido, el cual puede ser de una longitud sin fin.

268

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


Figura 5.19. Sección diagramática a través del contenedor y dado de bloque de una prensa vertical para cable.

PRENSA DE EXTRUSIÓN INVERTIDA El contenedor es similar a aquel del proceso de extrusión directa, excepto, que

g

en lugar de un dado y un émbolo, en los lados opuestos del lingote hay un dado y un soporte del dado hueco en un lado del lingote. El soporte hueco del dado toma el lugar

In

del émbolo. Esto debilita toda la prensa y limita el tamaño de la sección que puede ser producida por este proceso.

269


El diagrama carga/movimiento del émbolo, para esta clase de prensa se muestra en la

os

ta

H

or

na

Fig.

Ac

Figura 5.20. Gráfica carga - movimiento para una prensa vertical.

se observa que son muy similares al principio y al final, por las mismas razones,

D av id

la diferencia en la sección media puede considerarse por el hecho de que en la extrusión directa el lingote se mueve hacia el dado, es decir, se desliza a lo largo de la pared del contenedor con lo cual se produce una fuerza de fricción o carga. Esta carga de fricción depende del área de contacto entre el lingote y el contenedor y puesto que ésta es decreciente cuando el émbolo se mueve, de esta manera se hace que la carga de fricción disminuya con el movimiento del émbolo.

g

En el caso de la extrusión invertida no hay movimiento relativo entre el lingote y

el contenedor y, por tanto, no puede haber fuerza de fricción. Se requiere una carga

In

máxima más baja cuando se usa extrusión invertida, pero la ventaja de esta carga más baja no puede ser capitalizada, debido al hecho, de que como se explicó al principio, con extrusión inversa, la máxima reducción posible en el proceso es limitada.

270

Procesos de Manufactura II DADOS DE EXTRUSION Los dados de extrusión están hechos de acero de alta velocidad para

na

herramienta y son componentes muy importantes en el proceso de extrusión. Como el material del dado es demasiado caro, a menudo es hecho en forma de un disco

delgado de diámetro mucho más pequeño que el lingote soportado por un dado de

or

refuerzo. El orificio del dado controla la forma del metal extruido.

Si la abertura del dado consta de un barreno circular y paralelo, es decir, la

H

longitud del soporte es igual al espesor del dado, la extrusión será una varilla circular que requiere una fuerza considerable para estirarla y tiene una pobre superficie de

ta

acabado. La superficie de acabado puede mejorarse y disminuir la carga, aumentando

Figura 5.21. (a)Dado, (b)Resultado de la extrusión

In

g

D av id

Ac

os

el diámetro del barreno en el extremo de descarga.

En caso de formas complejas, tales como la que se muestra en la Fig. 5.21 (a), se encontrará que un barreno completamente paralelo, resultará en la producción de una

271

Procesos de Manufactura II forma como la Fig. 5.21 (b). Esto es porque la resistencia a fluir a través del área

ta

H

or

na

sombreada del dado, es mucho mayor que a través del residuo.

os

Figura 5.22.

Esta resistencia puede reducirse "puliendo" o recortando el dado, de manera que la longitud de contacto con la extrusión sea reducida alrededor de las superficies

Ac

externas del área sombreada en la Fig. 5.22(b). ¿Qué longitud de soporte se requiere?, es una cuestión de experiencia, y se necesita un buen diseñador de herramienta, para asegurar que el pandeo y torsión de la sección extruida no ocurra y que el metal no

D av id

tenga desgarres o filos ásperos. La Fig. 5.22 muestra por qué se requiere una abertura

In

g

adicional para asegurar el balance del flujo, cuando se extruye una forma asimétrica.

Figura 5.23. Dado hecho con abertura adicional para balancear el flujo, cuando se extruye una sección de forma asimétrica.

272

Procesos de Manufactura II Un dado múltiple de extrusión puede usarse cuando la carga de extrusión es excesiva para una sola área pequeña de extrusión. Un número dado de secciones que pueden ser idénticas o de diferentes formas, pueden extruirse al mismo tiempo, cortando varios

na

orificios. Se acostumbra disponer de orificios idénticos, ya que de otra manera puede

ta

H

or

surgir el problema del balanceo del flujo.

OTROS PROCESOS DE EXTRUSIÓN Los métodos principales de extrusión son la extrusión directa e indirecta. Hay

Ac

5.5

os

Figura 5.24. Dado de extrusión para producción múltiple de barras.

varios nombres que se dan a algunas operaciones especiales de extrusión directa o indirecta cuyos métodos se describen aquí. Otras operaciones de extrusión son únicas.

D av id

En esta sección examinamos estas formas de extrusión y los procesos relacionados. La extrusión por impacto La extrusión por impacto se realiza a altas

velocidades y carreras más cortas que la extrusión convencional. Se usa para hacer componentes individuales. Como su nombre lo indica, el punzón golpea a la parte de trabajo más que aplicar presión. La extrusión por impacto se puede llevar a cabo como extrusión hacia adelante, extrusión hacia atrás o una combinación de ambas. La extrusión por impacto se hace usualmente en frío, con varios metales, la

g

extrusión por impacto hacia atrás es la más común. Los productos hechos por este

In

proceso incluyen tubos para pastas de dientes y cajas de baterías. Estos ejemplos muestran que se pueden hacer paredes muy delgadas en las partes extruidas por impacto. Las características de alta velocidad del proceso por impacto permiten grandes reducciones y altas velocidades de producción, de aquí su alta importancia

273


Ac

os

ta

H

or

na

comercial.

Figura 5.25 Varios ejemplos de extrusión por impacto: (a) hacia delante (b) hacia atrás y (c) combinación de las dos.

D av id

Extrusión hidrostática Un problema de la extrusión directa es la fricción a lo

largo de la interfase tocho-contenedor. Este problema se puede solucionar utilizando un fluido en el interior del contenedor y ponerlo en contacto con el tocho, luego presionar el fluido con el movimiento hacia adelante del pisón. De tal manera que no exista fricción dentro del recipiente y se reduzca también la fricción en la abertura del dado. La fuerza del pisón es entonces bastante menor que en la extrusión directa. La presión del fluido que actúa sobre todas las superficies del tocho da su nombre al proceso. Se puede

g

llevar a cabo a temperatura ambiente o a temperaturas elevadas. Para temperaturas

In

elevadas se necesitan fluidos y procedimientos especiales. La extrusión hidrostática es una adaptación de la extrusión directa. La presión hidrostática sobre el material de trabajo incrementa la ductilidad del

material. Por consiguiente, este proceso se puede usar con metales que son demasiado

274

Procesos de Manufactura II frágiles para operaciones de extrusión convencional. Los metales dúctiles también pueden extruirse hidrostáticamente y es posible una alta relación de reducción en esos materiales. Una desventaja del proceso es que se requiere preparar los tochos iniciales

na

de trabajo. El tocho debe formarse con un huso en uno de sus extremos para ajustarlo

al ángulo de entrada del dado. Éste actúa como un sello que previene fugas del fluido a

os

ta

H

or

través de la abertura del dado, al iniciar la presurización del recipiente.

Ac

Figura Nº 5.26

D av id

PRODUCCION DE TUBOS EXTRUIDOS

La extrusión es un método ideal de producir tubos sin costura, y el principio del método ya se ha utilizado en la extrusión de cable forrado. El cable en el centro del orificio circular del dado, forma un espacio anular a través del cual el metal extruido fluye para formar el forro.

g

Para la producción de tubos, el cable se reemplaza por un mandril. Hay tres tipo, de

In

arreglo, de mandril que pueden usarse:

(a) fijo, (b) flotante,(c) perforante.

275

Procesos de Manufactura II Los tipos (a) y (b) están fijos al émbolo como se muestra en la Fig. 5.27 y el lingote debe perforarse de manera que el mandril pueda sobresalir a través del lingote y tomar su posición en el orificio del dado. La tendencia moderna es la de usar el mandril

na

flotante, más que uno fijo, puesto que él mismo se centra y, por tanto, produce tubos

D av id

Ac

os

ta

H

or

con concentricidad dentro del 1 %.

Figura 34. Tipos de arreglos de el mandril. Figura Nº 5.27

Por otro lado, los mandriles fijos producen tubos excéntricos a menos que se tenga cuidado, para perforar con precisión el lingote. Cuando se usa mandril perforador, el lingote es sólido y el mandril se retrae dentro del émbolo. Después que el lingote

g

caliente se coloca dentro del contenedor, el mandril es empujado dentro del lingote y pasa a través de él para colocarse en el orificio del dado. Las principales ventajas de

In

este proceso son velocidad y economía, porque elimina la operación de perforado por separado y el equipo especial requerido.

276


Las desventajas son que las prensas requeridas, son mucho más grandes y mucho más caras que las del tipo sin perforador. La operación severa de perforado, algunas

na

veces da abundantes grietas y desgarres en el agujero del lingote produciendo defectos en el tubo. Por estas razones, el perforado no se lleva a cabo en tubos de aluminio y sus aleaciones, y se usa principalmente en aleaciones de cobre donde no son

or

necesarios buenos acabados superficiales, requeridos en usos hidráulicos y de alta presión. Un desarrollo reciente ha sido la introducción de dados puente, donde el

H

mandril normal se ha reemplazado por uno más pequeño, sostenido en posición en el

Ac

os

ta

orificio del dado, por tres brazos delgados de araña, como se muestra en la Fig. 5.28.

D av id

Figura 5.28

El metal es rebanado por los tres brazos de araña cuando es extruido, para dar tres segmentos separados, pero éstos son inmediatamente comprimidos por el soporte cónico del dado sin exponerse al aire, por lo que las superficies limpias se sueldan por presión, para formar un tubo completo. Cuando este proceso fue propuesto inicialmente, los clientes tendían a ser renuentes a aceptar el producto, que era

g

considerado inferior a los tubos sin costura normales. Sin embargo, ahora se acepta

In

que los tubos hechos con dados puente son tan buenos, si no es que superiores a los tubos extruidos normalmente. Esto en particular, es cierto con los productos recién desarrollados; dados puente de tres y cuatro aberturas.

277

H

or

na


5.6

os

ta

Figura 5.29. Dado puente de cuatro aberturas.

DEFECTOS EN PRODUCTOS EXTRUIDOS

Debido a la considerable deformación asociada a las operaciones de extrusión,

Ac

pueden ocurrir numerosos defectos en los productos extruidos. Los defectos se pueden clasificar en las siguientes categorías.

Reventado central. Este defecto es una grieta interna que se desarrolla como resultado de los esfuerzos de tensión pueden parecer improbables en un proceso de

D av id

compresión como la extrusión, tienden a ocurrir bajo condiciones que ocasionan gran deformación en regiones de trabajo apartadas del eje central. El movimiento de material más grande en las regiones exteriores, estira el material a lo largo del centro de la pieza de trabajo. Si los esfuerzos son lo suficientemente grandes, ocurre el reventado central. Las condiciones que promueven estas fallas son los ángulos obtusos del dado, las bajas relaciones de extrusión y las impurezas del metal de trabajo que sirven como puntos de inicio para las grietas. Lo difícil del reventado central es su detección. Es un

g

defecto interno que no se observa generalmente por inspección visual. Otros nombres

In

que se usan para este efecto son fractura de punta de flecha, agrietado central y agrietado tipo chevron. Tubificado (bolsa de contracción). La tubificación es un defecto asociado con la

extrusión directa. Es un hundimiento en el extremo del tocho. El uso de un bloque

278

Procesos de Manufactura II simulado, cuyo diámetro sea ligeramente menor que el del tocho, ayuda a evitar la tubificación. Otros nombres que se dan a este defecto son cola de tubo y cola de pescado.

na

Agrietado superficial. Este defecto es resultado de las altas temperaturas de la

pieza de trabajo que causan el desarrollo de grietas en la superficie; ocurre frecuentemente cuando la velocidad de extrusión es demasiado alta y conduce a altas

or

velocidades de deformación asociadas con generación de calor. Otros factores que contribuyen al agrietamiento superficial son la alta fricción y el enfriamiento rápido de la

Ac

os

ta

H

superficie de los tochos a altas temperaturas en la extrusión en caliente.

In

g

D av id

Figura Nº 5.30

279

H

or

na


Ac

os

ta

CAPITULO VI

D av id

EMBUTIDO

6.1

GENERALIDADES

El embutido es una operación de formado de láminas metálicas que se usa para

hacer piezas de forma de copa y otras formas huecas más complejas. Se realiza colocando una lámina de metal sobre la cavidad de un dado y empujando el metal hacia la cavidad de éste con un punzón, como se muestra en la figura 6.1. La forma debe

g

aplanarse contra el dado por un sujetador de formas. Las piezas comunes que se

In

hacen por embutido son latas de bebidas, casquillos de municiones, lavabos, utensilios de cocina y partes para carrocería de automóviles.

280

os

ta

H

or

na


Figura Nº 6.1 FIGURA 3.70 (a) Embutido de una parte en forma de copa: (1) inicio de la operación

Ac

antes de que el punzón toque el trabajo y (2) cerca del fin de la carrera; y (b) piezas de trabajo correspondientes: (1) forma inicial y (2) parte embutida. Los símbolos indican: c = claro, Db = diámetro de la forma inicial Dp = diámetro del punzón, Rd = radio de la esquina del dado, Rp = radio de la esquina del punzón, F = fuerza de embutido, Fh =

D av id

fuerza de sujeción.

Las piezas recortadas o discos a emplear se disponen en el asiento o anillo de

centrado, fijado a la matriz de embutir, con la finalidad de centrar el disco en el proceso de embutición. Un dispositivo pisador aprieta el disco contra la matriz de embutir con la finalidad de que no se produzcan pliegues. El punzón de embutir al bajar estira el material sobre los bordes rebordeados de la matriz, de modo que se produzca una

g

pieza hueca. El desplazamiento de todos los cristales en que esta constituido el

In

material a embutir es radical en toda su magnitud. Cada uno de los cristales del material se desplaza, en la medida de que este se desliza en la abertura entre el punzón y la matriz.

281

H

or

na


ta

El desplazamiento del material en ese instante es semejante al flujo de agua por el rebosadero de una presa. Cuando se pretende que el espesor del material no se

os

altere durante el proceso de embutido, el área de la pieza original (disco recortado) debe ser igual al área de la superficie de pieza embutida. La fricción es un factor que

Ac

debe tomarse en cuenta por cuanto el material se desliza en la abertura entre el punzón y la matriz. Por lo tanto esta área debe estar pulida y lapeada. Esto reduce la carga necesaria para el desarrollo del embutido. El achaflanado de los bordes de la matriz ayuda a la chapa a resbalar por la pared del agujero, facilitando la operación de

D av id

embutir. Facilitan también el embutido la lubricación adecuada, del disco recortado y de la herramienta en su conjunto. El juego que queda entre el punzón y la matriz de embutir tiene que ser mayor que el espesor de la chapa. Se han acreditado como conveniente para el caso de chapas de acero, holguras de 1,12 a 1,30

veces el

espesor de la chapa, para chapas de latón, holguras de 1,08 a 1,20 veces el espesor, para chapas de aluminio la holgura es de 1,04 a 1,10 veces el espesor.

In

g

6.2

MECÁNICA DE EMBUTIDO

El embutido de partes en forma de copa es la operación básica del embutido. Con

las dimensiones y los parámetros que se muestran en la figura 6.1 examinaremos la operación y la mecánica del embutido. Se embute un disco de diámetro Db dentro de un dado por medio de un punzón de diámetro Dp. El punzón y el dado deben tener un 282

Procesos de Manufactura II radio en las esquinas determinado por Rp y Rd. Si el punzón y el dado tienen esquinas agudas (Rp y Rd = 0), se realizará una operación de perforado de un agujero en lugar de una operación de embutido. Los lados del punzón y del dado están separados por

na

un claro c. Este claro es aproximadamente 10% mayor que el espesor del material en embutido: c =1.1t

or

El punzón aplica una fuerza F hacia abajo para realizar la deformación del metal y el sujetador de partes o de formas aplica una fuerza de sujeción Fh hacia abajo, como se

D av id

Ac

os

ta

H

muestra en la figura 6.1

In

g

Figura Nº 6.2

Conforme el punzón se desliza hacia abajo, hasta su posición final, la pieza de

trabajo experimenta una serie compleja de esfuerzos y deformaciones al tomar

283

Procesos de Manufactura II gradualmente la forma definida por el punzón y la cavidad del dado, Las etapas en el proceso de deformación se ilustran en la figura 6.2. Cuando el punzón empieza a empujar al material de trabajo, somete al metal a una operación de doblado. La lámina

na

es doblada simplemente sobre la esquina del punzón y la esquina del dado, como se muestra en la figura 6.2. El perímetro exterior del disco se mueve hacia el centro en esta primera etapa pero sólo ligeramente.

or

A medida que el punzón avanza, ocurre una acción de enderezado del metal que fue previamente doblado sobre el radio del dado, etapa (3) de la figura. El metal en el

H

fondo de la copa, así como a lo largo del radio del punzón, se ha movido hacia abajo junto con el punzón, pero el metal que se había doblado sobre el radio del dado se endereza para que pueda jalarse dentro del claro y formar la pared del cilindro. En este

ta

punto se necesita más metal para reemplazar al que ahora forma la pared del cilindro. Este nuevo metal viene del borde exterior de la forma original. El metal en la porción

os

exterior de la forma se jala o embute hacia la apertura del dado para sustituir al metal previamente doblado y enderezado que ahora forma la pared del cilindro. De este tipo proceso de embutido.

Ac

de flujo de metal a través de un espacio restringido es de donde toma su nombre el Durante esta etapa del proceso, la fricción y la compresión en la brida juegan papeles importantes. Para que el material de la brida se mueva hacia la apertura del

D av id

dado, se debe superar la fricción entre la lámina de metal y las superficies del sujetador y del dado, Inicialmente se involucra la fricción estática hasta que el metal empieza a moverse, debido al flujo de metal, es entonces que la fricción cinética gobierna el proceso. La magnitud de la fuerza de sujeción aplicada por el sujetador, así como las condiciones de fricción de las dos interfases son factores que determinan el éxito de la operación de embutido. Generalmente se usan lubricantes o compuestos para reducir las fuerzas de fricción durante el embutido. Además de la fricción, ocurre también el

g

arrugado de la brida remanente, debido a que el metal de la brida se estira hacia el centro, el perímetro exterior se hace menor, como el volumen del metal permanece

In

constante, el metal de la brida se comprime y se hace más grueso al reducirse el perímetro. Esto ocasiona frecuentemente el arrugado de la brida remanente, especialmente cuando la lámina es delgada o cuando la fuerza del sujetador es demasiado baja. Esta condición no puede corregirse una vez que ha ocurrido. Los 284

Procesos de Manufactura II efectos de la fricción y de la compresión se ilustran en la figura 6.2. La fuerza de sujeción aplicada sobre la forma se ve ahora como un factor crítico en el embutido profundo. Si ésta es muy pequeña ocurre el arrugamiento; si es muy

na

grande, evita que el metal fluya adecuadamente hacia la cavidad del dado, ocasionando estiramiento y posible desgarramiento de la lámina de metal. La determinación de la fuerza adecuada de sujeción implica un delicado balance entre estos factores opuestos.

or

El movimiento progresivo del punzón hacia abajo ocasiona la continuidad del flujo de metal, causado por el estirado y la compresión que se han descrito previamente.

H

Ocurre además, cierto adelgazamiento de las paredes del cilindro. A la fuerza que aplica el punzón se opone la del metal, en forma de deformación y fricción durante la operación. Una parte de la deformación involucra estiramiento y adelgazamiento del

ta

metal al ser jalado sobre el borde de la abertura del dado. En una operación exitosa de base de la copa.

Ac

Análisis de ingeniería del embutido

os

embutido puede ocurrir hasta un 25% de adelgazamiento, la mayor parte cerca de la

Es importante valorar las limitaciones sobre la magnitud que puede alcanzar el embutido. Frecuentemente algunas medidas simples que pueden calcularse fácilmente para una determinada operación, sirven como guía. Además la fuerza de embutido y la

D av id

fuerza de sujeción son variables importantes del proceso. Finalmente, debe determinarse el tamaño de la forma inicial. Medidas del embutido Una medida de la severidad de una operación de

embutido profundo es la relación de embutido DR. Ésta se define más fácilmente para

una forma cilíndrica como la relación entre el diámetro del disco inicial Db y diámetro

In

g

del punzón Dp. En forma de ecuación,

La relación de embutido proporciona un indicativo, aunque crudo, de la severidad

de una determinada operación de embutido. A mayor relación, mayor severidad de la operación. Un límite superior aproximado de la relación de embutido es un valor de 2.0. El valor limitante real para una operación depende del radio de las equinas en el 285

Procesos de Manufactura II punzón y el dado (Rp y Rd), de las condiciones de fricción, de la profundidad de embutido y de las características de la lámina de metal (por ejemplo, ductilidad y grado de direccionalidad de las propiedades de resistencia en el metal).

na

Otra forma de caracterizar una operación dada de embutido es por la reducción r,

or

donde:

El valor de r está vinculado muy estrechamente con la relación de embutido.

H

Consistente con el límite previo de DR, el valor de la reducción r debe ser menor que 0.50.

ta

Una tercera medida en el embutido profundo es la relación de espesor al diámetro tIDb, (espesor de la forma inicial t dividido por el diámetro de la forma Db) cuyo valor en la tendencia al arrugado.

os

porcentaje es recomendable que sea mayor que 1%. Conforme decrece tIDb, aumenta En los casos en que el diseño de la parte embutida exceda los límites de la

Ac

relación de embutido, la reducción r y la relación tlDb, la forma debe ser embutida en dos o más pasos, algunas veces con recocido entre los pasos. EJEMPLO 22.7 Embutido acopado

D av id

Se usa una operación de embutido para formar un vaso cilíndrico con un diámetro interior = 75 mm y una altura = 50 mm. El diámetro de la forma inicial = 140 mm y el espesor del material 3 mm. Con base en estos datos ¿es posible la operación? Solución: Para valorar la factibilidad determinamos la relación de embutido, la

In

g

reducción y la relación espesor-diáinetro.

De acuerdo con estas medidas la operación de embutido es factible. La relación de 286

Procesos de Manufactura II embutido es menor que 2.0, la reducción es menor del 50%, y la relación espesordiámetro (tIDb) es mayor al 1%. Éstos son los lineamientos generales que se usan frecuentemente para indicar la factibilidad técnica.

na

Fuerzas La fuerza de embutido requerida para realizar una operación dada se

os

ta

H

or

puede estimar aproximadamente mediante la fórmula:

Db y Dp son los diámetros del disco inicial y del punzón, respectivamente, en (mm). La constante 0.7 es un factor de corrección para la fricción. La ecuación estima

Ac

la fuerza máxima en la operación. La fuerza de embutido varía a través del movimiento hacia abajo del punzón, alcanzando usualmente su valor máximo a una tercera parte de la longitud de la carrera.

La fuerza de sujeción es un factor importante en la operación de embutido. Como

D av id

una primera aproximación, la presión de sujeción se puede fijar en un valor = 0.015 de la resistencia a la fluencia de la lámina de metal . Este valor se multiplica por la porción

In

g

del área de la forma inicial que será sostenida por el sujetador. En forma de ecuación,

287

Procesos de Manufactura II FORMULAS PARA DETERMINAR LA PIEZA A RECORTAR REQUERIDA PARA EL EMBUTIDO:

na

d

D = (d2 + 4dh)1/2

or

h

H

d2

D= (d2 2 + 4d1 h)1/2

Ac

os

h

ta

d1

D av id

D = [d2 2 + 4(d1 h1 + d2 h2)]1/2

d

D = 1,414d

In

g

d2

d1

D = (d12 + d2 2 )1/2

288

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


289

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


290

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


291


D av id

Ac

Figura Nº 6.3

os

ta

H

or

na

ESFUERZOS EN EL EMBUTIDO DE UNA COPA CILINDRICA:

DETERMINACION DE LA FUERZA NECESARIA Y NUMERO DE ETAPAS DE EMBUTIDO PARA UNA COPA CILINDRICA

In

g

Fuerza de embutido para etapa i en el proceso de una copa cilíndrica:

292

TABLA 1

na


2-1,5

1,5-1

1-0,6

0,6-0,3

0,3-0,15

0,15-0,08

m1

0,48-0,5

0,5-0,53

0,53-0,55

0,55-0,58

0,58-0,60

0,60-0,63

m2

0,73-0,75

0,75-0,76

0,76-0,78

0,78-0,79

0,79-0,80

0,80-0,82

m3

0,76-0,78

0,78-0,79

0,74-0,80

0,80-0,81

0,81-0,82

0,82-0,84

m4

0,78-0,80

0,80-0,81

0,81-0,82

0,82-0,83

0,83-0,85

0,85-0,86

m5

0,80-0,82

0,82-0,84

0,84-0,85

0,85-0,86

0,86-0,87

0,87-0,88

mi

n1

n2

0,55

1

0,57

0,93

0,6

0,86

0,62

0,79

0,65

0,72

0,67

0,66

0,7

0,6

1

0,72

0,55

0,95

0,75

0,5

0,9

0,77

0,45

0,85

0,8

0,4

0,8

In

g

H

ta

os

D av id

Ac

TABLA 2

or

t/D*100

0,85

0,7

0,9

0,6

0,95

0,5

293

Procesos de Manufactura II EJEMPLO: Diámetro de la copa a embutir: 60 mm. Espesor del material: 1,5 mm. Altura

D av id

Ac

os

ta

H

or

na

de la copa: 100 mm. Esfuerzo de ruptura: 350 N/mm2.

EJEMPLO 3.8 Fuerzas en el embutido Para la operación de embutido, determine a) fuerza de embutido y b) fuerza de sujeción, dado, el esfuerzo a la tensión de la lámina de metal = 485 MPa y la resistencia a la fluencia = 275 MPa. El radio de la esquina del dado = 6 mm.

In

g

Solución: (a) La fuerza máxima de embutido está determinada por la ecuación:

(b) la fuerza de sujeción se estima por la ecuación :

294


Determinación del tamaño de la forma Para lograr una dimensión satisfactoria

na

de una parte embutida cilíndrica, se necesita el diámetro correcto de la forma inicial. Ésta debe ser lo suficientemente grande para suministrar el metal necesario que

complete la parte. Si hay demasiado material, habrá desperdicio innecesario. Para

or

formas no cilíndricas, existe el mismo problema de estimar el tamaño de la forma inicial, sólo que ésta no será redonda.

H

A continuación se describe un método razonable para estimar el diámetro del disco inicial en una operación de embutido profundo en la que se produce una parte redonda (por ejemplo, vasos cilíndricos y formas más complejas grandes con simetría

ta

axial). Como el volumen del producto final es el mismo que el de la pieza metálica inicial, el diámetro del disco inicial puede calcularse si establecemos que el volumen

os

inicial del disco es igual al volumen final del producto, y resolvemos para el diámetro Db, Para facilitar los cálculos, generalmente se asume que el adelgazamiento de las

6.3

Ac

paredes es nulo. LÍMITES DEL EMBUTIDO:

D av id

Dependiendo del tipo de material, del espesor del mismo, existe un límite en el diámetro a embutir, entendiendo que es necesario en la mayoría de los casos, realizar varias operaciones de estampación, seguidas de una serie de tratamientos térmicos con la finalidad de conseguir el diámetro y altura adecuada. El diámetro de la primera matriz de embutido se puede determinar a partir una relación entre los diámetros del disco recortado y el diámetro de la primera matriz, considerando

In

g

un factor en función del material. Este factor es el siguiente:

Para trabajos de mayor precisión se pueden hacer uso de tablas y gráficos en las que se determinan los diámetros, las fases de embutidos que hay que realizar.

295


OTRAS OPERACIONES DE EMBUTIDO Nuestro análisis ha sido enfocado hacia una operación convencional de embutido

acopado que produce una forma cilíndrica simple en un solo paso y usa un sujetador

na

para facilitar el proceso. Consideremos algunas variantes de esta operación básica.

Nuestro análisis ha sido enfocado hacia una operación convencional de embutido acopado que produce una forma cilíndrica simple en un solo paso y usa un sujetador

or

para facilitar el proceso.

H

Consideremos algunas variantes de esta operación básica.

Reembutido Si el cambio de forma que requiere el diseño de la parte es demasiado severo (la relación de embutido es demasiado alta), el formado completo de

ta

la parte puede requerir más de un paso de embutido. Al segundo paso de embutido y a una operación de reembutido.

os

cualquier otro posterior, si se necesita, se le llama reembutido. En la figura se ilustra Si el cambio de forma que requiere el diseño de la parte es demasiado severo (la relación de embutido es demasiado alta), el formado completo de la parte puede

Ac

requerir más de un paso de embutido. Al segundo paso de embutido y a cualquier otro posterior, si se necesita, se le llama reembutido. En la figura se ilustra una operación

D av id

de reembutido.

Cuando el diseño de la parte requiere una relación de embutido demasiado

grande que impide formar la parte en un solo paso, se puede ejecutar la siguiente sugerencia general para la reducción, quese puede hacer en cada operación de embutido, para el primer embutido, la reducción máxima de la forma inicial debe ser de 40 a 45%; para el segundo embutido (primer reembutido), la reducción máxima debe ser 30%; para el tercer embutido (segundo reembutido), la reducción máxima debe ser

In

g

16%.

Una operación relacionada es el embutido inverso, en el cual se coloca una parte

embutida hacia abajo en el dado y una segunda operación de embutido produce una configuración. En esta operación la reducción es más fácil para el metal. La razón es que en el embutido inverso la lámina de metal se dobla en la misma dirección en las 296

Procesos de Manufactura II esquinas exteriores e interiores del dado, mientras que en el reembutido el metal se dobla en direcciones opuestas en las dos esquinas. Debido a esta diferencia, el metal experimenta menos endurecimiento por deformación en el embutido inverso y, por

na

tanto, la fuerza del embutido es menor.

Embutido de formas no cilíndricas Muchos productos requieren el embutido e

or

formas no cilíndricas. La variedad de formas embutidas incluyen formas cuadradas,

cajas rectangulares (lavados), copas escalonadas, conos, copas con bases esféricas

H

más que planas y formas curvas irregulares (carrocerías de automóviles). Cada una de estas formas representa un problema técnico único en embutido. Para el lector que se interese, Eary suministra una revisión detallada del embutido para esta clase de formas

ta

[1]. Embutido sin sujetador La función principal del sujetador consiste en prevenir el arrugado de la brida mientras se embute la parte. La tendencia al arrugamiento se

os

reduce al aumentar la relación entre el espesor y el diámetro de la forma inicial.

Ac

El dado de embutido debe tener forma de embudo o cono para permitir que el material a embutir se ajuste a la cavidad del dado. La ventaja del embutido sin un sujetador, cuando éste es posible, es un costo más bajo de las herramientas y el uso de una prensa más simple porque se evita la necesidad de un control separado de los

D av id

movimientos del sujetador y del punzón. Cuando el diseño de la parte requiere una relación de embutido demasiado

grande que impide formar la parte en un solo paso, se puede ejecutar la siguiente sugerencia general para la reducción, que se puede hacer en cada operación de embutido, para el primer embutido, la reducción máxima de la forma inicial debe ser de 40 a 45%; para el segundo embutido (primer reembutido), la reducción máxima debe

g

ser 30%; para el tercer embutido (segundo reembutido), la reducción máxima debe ser

In

16%.

297

or

na


ta

H

Figura Nº 6.4

Una operación relacionada es el embutido inverso, en el cual se coloca una parte embutida hacia abajo en el dado y una segunda operación de embutido produce una

os

configuración como la que se muestra en la figura 6.5. En esta operación la reducción es más fácil para el metal. La razón es que en el embutido inverso la lámina de metal se

Ac

dobla en la misma dirección en las esquinas exteriores e interiores del dado, mientras que en el reembutido el metal se dobla en direcciones opuestas en las dos esquinas. Debido a esta diferencia, el metal experimenta menos endurecimiento por deformación

In

g

D av id

en el embutido inverso y, por tanto, la fuerza del embutido es menor.

Figura Nº 6.5

298

Procesos de Manufactura II Embutido de formas no cilíndricas Muchos productos requieren el embutido de formas no cilíndricas. La variedad de formas embutidas incluyen formas cuadradas, cajas rectangulares (lavados), copas escalonadas, conos, copas con bases esféricas

na

más que planas y formas curvas irregulares (carrocerías de automóviles). Cada una de estas formas representa un problema técnico único en embutido. Para el lector que se

interese, Eary suministra una revisión detallada del embutido para esta clase de formas

or

.

Embutido sin sujetador La función principal del sujetador consiste en prevenir el

H

arrugado de la brida mientras se embute la parte. La tendencia al arrugamiento se reduce al aumentar la relación entre el espesor y el diámetro de la forma inicial. Si la relación t/Db, es lo suficientemente grande, se puede alcanzar el embutido sin

ta

necesidad de un sujetador, como se muestra en la figura 6.5. Puede estimarse la

os

condición limitante para el embutido sin sujetador mediante la siguiente expresión :

El dado de embutido debe tener forma de embudo o cono para permitir que el

Ac

material a embutir se ajuste a la cavidad del dado. La ventaja del embutido sin un sujetador, cuando éste es posible, es un costo más bajo de las herramientas y el uso de una prensa más simple porque se evita la necesidad de un control separado de los

In

g

D av id

movimientos del sujetador y del punzón.

Figura Nº 6.6

299

6.5

DEFECTOS EN EL EMBUTIDO

ta

H

or

na


os

El embutido es una operación más compleja que el corte o el doblado de lámina, por tanto hay más cosas que pueden fallar. Pueden presentarse numerosos defectos en un producto embutido, anteriormente nos referimos a algunos de ellos. La siguiente es

D av id

Ac

una lista de los defectos que se muestran en la figura 6.7:

g

Figura Nº 6.7

In

a) Arrugamiento en la brida o pestaña. El arrugamiento en una parte embutida consiste en una serie de pliegues que se forman radialmente en la brida no embutida de la parte de trabajo, debido al arrugamiento por compresión.

300

Procesos de Manufactura II b) Arrugamiento en la pared. Si la brida arrugada se embute en el cilindro, estos pliegues aparecen en la pared vertical del cilindro.

na

c) Desgarrado Este defecto consiste en una grieta que se abre en la pared vertical, usualmente cerca de la base de la copa embutida, debido a altos esfuerzos a la

or

tensión que causan adelgazamiento y rotura del metal en esta región. Este tipo de falla puede también ocurrir cuando el metal se estira sobre una esquina afilada del

H

punzón.

d) Orejeado Ésta es la formación de irregularidades (llamadas orejas) en el borde

ta

superior de la pieza embutida, causada por anisotropía en la lámina de metal. Si el

os

material es perfectamente isotrópico no se forman las orejas.

e) Rayado superficial. Pueden ocurrir rayaduras en la superficie de la pieza embutida si

Ac

el punzón y el dado no son lisos o si la lubricación es insuficiente.

6.6 TIPOS DE HERRAMIENTAS DE EMBUTIDO: Herramienta de Embutido de Acción Simple:

D av id



En este tipo de herramienta el disco recortado a embutir se fija en su asiento, al actuar la placa prensa disco, el punzón comienza a penetrar el material en la matriz en su totalidad.

Seguido se expulsa la pieza embutida por acción de un expulsor, obteniéndose una

In

g

pieza de esta característica

301

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


Figura Nº 6.8

g

.

In



Herramientas de Embutido de Doble Acción:

En este tipo de herramientas, el punzón se ubica en la parte superior de la corredera (prensa), el disco recortado se ubica también en su asiento en la matriz y el punzón y la placa prensa disco actúan simultáneamente y la matriz cuenta con el expulsor

302

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


In

g

Figura Nº 6.9

303


D av id

Ac

os

ta

H

or

na

EMBUTIDO INVERSO CON MATRIZ DE ACCION SIMPLE Y PUNZON ACTUADOR:

In

g

Figura Nº 6.10

304




Herramienta de Embutido Telescópico:

Se utiliza en piezas previamente embutidas con la finalidad de conseguir una mayor

na

altura y por consiguiente una pieza de menor diámetro, para ello se debe contar con un

juego de punzón y matriz adecuado, de tal manea de conseguir el objetivo, como quiera que con el embutido previo, el material deformado ha conseguido una acritud debe ser

or

tratado térmicamente para recobrar su elasticidad, esto se debe aplicar en cada fase

D av id

Ac

os

ta

H

del proceso de embutido.

Para conseguir la altura y el diámetro necesario requiere muchas veces de utilizar varias etapas de embutido, tal como ya se a explicado anteriormente, para lo cual es necesario, el uso de de este tipo de herramientas, con el consiguiente juego de punzón y matriz adecuadas a la circunstancias. El objetivo se consigue forzando el material a deslizarse adecuadamente entre dos punzones adaptados convenientemente a la

In

g

nueva configuración de la matriz.

305

Procesos de Manufactura II Herramientas de Embutido Inverso

H

or

na



ta

Figura Nº 6.11

os

Con estas herramientas se consigue también una mayor altura, para ello se debe de contar con la herramienta, los materiales convenientemente dispuestos y acondicionados para tal fin.

Ac

La embutición invertida ofrece la posibilidad de ahorrar una o dos etapas de embutición. Con éste tipo de embutición la pieza previamente embutida se dispone con la abertura hacia abajo sobre una matriz negativa de embutir. El punzón de embutir que

D av id

desciende sobre la pieza así dispuesta la vuelve de modo de modo que era hasta ahora superficie interior se convierte en superficie exterior de la misma. De ésta modo se obtiene con una herramienta profundidades mayores que con la embutición corriente. Por lo general no se necesita ningún dispositivo pisador. En la práctica se dispone de que en la herramienta, que con la carrera

descendente de la corredera, una pieza hueca pre-embutida y al descender el punzón se determina la pieza al actuar negativamente la herramienta. La embutición negativa se emplea casi exclusivamente para piezas cilíndricas o piezas redondeadas no

g

cilíndricas por ejemplo carcasas de faro o proyectores. Para piezas irregulares

In

resultaría muy dificultosa la ejecución de las aberturas en la matriz invertida.

306

Procesos de Manufactura II Recalcado o Repujado en torno:

os

ta

H

or

na



Ac

Figura Nº 6.12

Con este tipo de procedimiento, es posible conseguir piezas de gran altura y volumen,

D av id

con ellas se construyen las ollas, los sartenes de cocina, faroles, trofeos, etc.

In

g

ACUÑADO

Figura Nº 6.13

307


DADOS Y PRENSAS PARA PROCESOS CON LAMINAS METÁLICAS En esta sección examinamos el punzón y el dado, así como el equipo de

producción que se usa como herramienta en las operaciones convencionales de

na

procesamiento de láminas metálicas. Dados

Casi todas las operaciones de trabajo en prensas que se describen arriba se

or

ejecutan con punzones y dados convencionales. La herramienta a la que nos referimos específicamente aquí es un dado.

H

Una herramienta diseñada a la medida de la parte que se produce. Se usa frecuentemente el término dado troquelador (o de estampado) para los dados de alta producción.

ta

Componentes de un dado troquelador En el diagrama de la figura se ilustran los componentes de un dado troquelador que ejecuta una operación simple de corte de

os

formas. Los componentes de trabajo son el punzón y el dado. El punzón y el dado se fijan a las porciones superior e inferior del conjunto del dado, llamados respectivamente

Ac

el portapunzón (o zapata superior) y el portadado (zapata inferior). El conjunto incluye también barras guía y bujes para asegurar el alineamiento apropiado entre el punzón y el dado durante la operación. El portadado se fija a la base de la prensa y el portapunzón se fija al pisón. El movimiento del pisón ejecuta la operación de prensado.

D av id

Además de estos componentes, un dado para corte de formas o punzonado debe

incluir un medio para evitar que se peguen las láminas al punzón cuando éste regresa hacia arriba, después de la operación. El agujero que se genera en el material es del mismo tamaño que el punzón y tiende a pegarse al punzón antes de su retiro. El dispositivo del dado que separa la lámina del punzón se llama separador, el cual

consiste frecuentemente en una simple placa fijada al dado con un agujero ligeramente más grande que el diámetro del punzón.

g

Para dados que procesan tiras o rollos de lámina metálica, se requiere un

dispositivo que detenga el avance de la lámina que se alimenta al dado entre cada cielo

In

de prensado. El dispositivo se llama tope. Los topes van desde simples pernos

localizados en la trayectoria de la tira para bloquear su avance, hasta complejos mecanismos sincronizados que se levantan y retraen con cada acción de la prensa. En nuestra figura se muestra el tope más simple. 308

H

or

na


ta

FIGURA 6.14 Componentes de un punzón y un dado para una operación de corte de formas.

os

Hay otros componentes de los dados para prensado, la descripción precedente sólo proporciona una introducción a la terminología.

Tipos de dados troqueladotes.- Aparte de las diferencias entre los dados

Ac

troqueladores de corte, doblado y embutido, hay otras que se refieren al número de operaciones separadas que se ejecutan en cada acción de la prensa y cómo se realizan dichas operaciones.

El tipo de dado considerado aquí ejecuta una sola operación con cada golpe de la

D av id

prensa y se llama dado simple. En el trabajo con prensas hay dados más complicados

como dados compuestos, dados combinados y dados progresivos. Un dado compuesto realiza dos operaciones en un solo lugar, tales como corte de formas y punzonado, o corte de formas y embutido. Un dado combinado es menos común; ejecuta dos operaciones en dos diferentes posiciones del dado. Algunos ejemplos de aplicaciones en este dado incluyen corte de discos para dos diferentes partes o corte de discos y después doblado de la misma parte.

g

Un dado progresivo ejecuta dos o más operaciones sobre una lámina de metal en

In

dos o más posiciones con cada golpe de prensa. La parte se fabrica progresivamente. El rollo de lámina se alimenta de una posición a la siguiente y en cada uno de estos lugares se ejecutan las diferentes operaciones (por ejemplo, punzonado, muescado, doblado y perforado). La parte sale de la última posición completa y separada (cortada)

309

Procesos de Manufactura II del rollo original. El diseño de un dado progresivo empieza con la disposición de la parte sobre la tira o rollo y la determinación de las operaciones que se van a ejecutar en cada posición. El resultado de este procedimiento se llama desarrollo de tira. En la figura

na

6.15 se ilustra un dado progresivo y el desarrollo de tira asociado. Los dados

progresivos pueden tener una docena o más posiciones. Los dados de troquelado son

los más complicados y costosos, pero se justifican económicamente para partes

D av id

Ac

os

ta

H

or

complejas que requieren operaciones múltiples a altas velocidades de producción.

Figura Nº 6.15 FIGURA 3.77 (a) Dado progresivo y (b) desarrollo asociado de la tira.

6.8

PRENSAS

g

Las prensas que se usan para el trabajo de láminas metálicas son máquinas

In

herramienta que tienen una cama estacionaria y un pisón (o corredera), el cual puede

ser accionado hacia la cama y en dirección contraria para ejecutar varias operaciones de corte y formado. En la figura 6.16 se muestra una prensa típica con sus principales componentes. Las posiciones relativas de la cama y el pisón se establecen por el

310

Procesos de Manufactura II armazón, el pisón es accionado mediante fuerza mecánica o hidráulica. Cuando se monta un dado en la prensa, el portapunzón se fija al pisón y el portadado se fija a la

os

ta

H

or

na

placa transversal de la cama de la prensa.

Ac

Figura Nº 6.16 FIGURA 3.78 Componentes de una prensa troqueladora típica por transmisión mecánica

Hay prensas de varias capacidades, sistemas de potencia y tipos de armazón. La capacidad de una prensa es su disposición para manejar la fuerza y energía requerida

D av id

para realizar las operaciones de troquelado. Ésta se determina por su tamaño físico y por sus sistemas de potencia. El sistema de potencia se refiere a la clase de fuerza que usa, ya sea mecánica o hidráulica, así como al tipo de transmisión empleada para enviar la potencia al pisón. La velocidad de producción es otro aspecto importante de la capacidad. El tipo de armazón de la prensa se refiere a la construcción física de la misma. Hay dos tipos de armazón o estructura de uso común: de escote o estructura en C y estructura de lados rectos.

g

Prensas de escote Su estructura tiene la configuración general de la letra C y es

In

frecuentemente llamada estructura o armazón en C. Las prensas de escote

proporcionan buen acceso al dado, y generalmente pueden abrirse por la parte trasera para permitir la eyección conveniente de los troquelados o la pedacería. Los tipos principales de prensas de escote son: a) de escote sólido, b) cama ajustable, c) inclinable con abertura posterior, d) prensa plegadora y e) prensa de torreta. 311

Procesos de Manufactura II El escote sólido (algunas veces llamado simplemente prensa C) tiene una construcción de una sola pieza, como se muestra en la figura. Las prensas con esta estructura son rígidas, no obstante, la forma en C permite un acceso conveniente de los

na

dados para alimentar tiras o rollos de material. Dichas prensas están disponibles en una escala de tamaños con capacidades cercanas a las mil toneladas. Los moldes que se

muestran en la figura 6.17 tienen una capacidad de 150 toneladas. Las prensas con

or

armazón de cama ajustable son una variante de la estructura en C, en la cual una cama ajustable se añade para acomodar varios tamaños de dados. Este ajuste hace que se

H

sacrifique la capacidad del tonelaje, La prensa inclinable con abertura posterior tiene una estructura en C ensamblada a la base, de tal manera que el armazón pueda inclinarse hacia atrás en varios ángulos para dejar caer, mediante la fuerza de

ta

gravedad, los troquelados por la abertura trasera. Las capacidades de tales prensas fluctúan entre 1 y 250 toneladas. Pueden operarse a altas velocidades hasta cerca de

g

D av id

Ac

os

mil golpes por minuto.

In

Figura Nº 6.17 FIGURA 3.79 Prensa de estructura en C (con capacidad de 50 ton) para trabajo de metales en lámina (cortesía de E. W. Bliss Company). La prensa plegadora es una prensa con estructura en C que tiene una cama muy

312

Procesos de Manufactura II amplia. El modelo en la figura 6.18 tiene un ancho de cama de 18 m. Esto permite acomodar en la cama un número de dados separados (típicos dados en V) de manera que se puedan hacer económicamente pequeñas cantidades de troquelados Sin

na

embargo, dichas cantidades en algunas ocasiones requieren doblados múltiples a diferentes ángulos, y muchas veces se necesita la operación manual Para una parte

que requiere una serie de dobleces, el operador mueve la forma inicial a través de los

or

dobleces deseados en secuencia, y la prensa actúa en cada dado para completar el

Ac

os

ta

H

trabajo necesario.

a)

b)

D av id

Figura Nº 6.18 FIGURA 3.80 a) Prensa plegadora con un ancho de cama de 18 m y capacidad de 1250 ton;

Mientras las prensas plegadoras se adaptan bien a las operaciones de doblado, las

prensas de torreta se adaptan a situaciones en las cuales se realizan punzonados,

ranurados y muescados, así como a otras operaciones de corte que se muestran en

In

g

la figura 6.19.

313

H

or

na


In

g

D av id

Ac

os

ta

Figura Nº 6.19

Figura Nº 6.20

314

Procesos de Manufactura II Las prensas de torreta tienen un armazón en C, aunque esta construcción no es tan obvia en la figura. El punzón convencional se reemplaza por una torreta que contiene muchos punzones de diferentes tamaños y formas.

na

La torreta trabaja por selección (rotación) de la posición que mantiene el punzón para ejecutar la operación requerida. Además de la torreta del punzón, hay una torreta

correspondiente al dado que pone en posición las aberturas del dado para cada

or

punzón. Entre el punzón y el dado está la forma de lámina de metal, sostenida por un

sistema posicionador x-y que opera por control numérico computarizado. La forma se

D av id

Ac

os

ta

H

mueve a la posición coordinada que se requiere para cada operación de corte.

Figura Nº 6.21

Prensas con armazón de lados rectos Para trabajos que requieren alto tonelaje

se necesitan armazones de prensa con una rigidez estructural mayor. Las prensas de lados rectos tienen lados completos que le dan una apariencia de caja como en la

g

figura. Esta construcción aumenta la resistencia y rigidez del armazón. Como resultado, en estas prensas se dispone de capacidades hasta de 4000 toneladas para trabajo en

In

lámina. En forja se usan grandes prensas de este tipo de armazón En todas estas prensas de estructura en C y armazón de lados rectos, el tamaño

se correlaciona estrechamente con la capacidad de tonelaje. Las prensas más grandes se construyen para soportar fuerzas más altas de trabajo. El tamaño de las prensas se

315

Procesos de Manufactura II relaciona también con la velocidad a la que pueden operar. Las prensas más pequeñas tienen generalmente velocidades de producción más altas que las prensas grandes. Potencia y sistemas de transmisión Los sistemas de transmisión de las prensas

na

pueden ser hidráulicos o mecánicos. Las prensas hidráulicas usan grandes cilindros y pistones para mover el pisón. Este sistema de potencia suministra típicamente carreras

más largas que las de impulsión mecánica y pueden desarrollar la fuerza de tonelaje

or

completo a través de la carrera entera. Sin embargo es, más lento. Su aplicación a las láminas de metal se limita normalmente al embutido profundo y a otras operaciones de

H

formado donde sus características son ventajosas. Estas prensas disponen de una o más correderas independientes, llamadas de simple acción (corredera simple), doble acción (dos correderas) y así sucesivamente. Las prensas de doble acción son útiles en

In

g

D av id

Ac

os

de punzón y la fuerza del sujetador.

ta

operaciones de embutido profundo cuando se requiere un control separado de la fuerza

Figura Nº 6.22

316

Procesos de Manufactura II En las prensas mecánicas se usan varios tipos de mecanismos de transmisión Estos incluyen excéntrico de manivela y de junta de bisagra como se ilustra en la figura. Estos mecanismos convierten el movimiento giratorio del motor en movimiento lineal del

na

pisón. Utilizan un volante para almacenar la energía del motor, que usan posteriormente en las operaciones de troquelado. Las prensas mecánicas que utilizan este tipo de transmisión alcanzan fuerzas muy altas en el fondo de su carrera y, por tanto, son muy

or

apropiadas para operaciones de corte de discos y punzonado. La junta de bisagra libera fuerzas muy altas cuando está en el fondo y por esa causa se usa frecuentemente en

6.9

CONSIDERACIONES EN DISEÑO DE LA HERRAMIENTAS:

ta



H

las operaciones de acuñado.

Las prensas discos llamada también prensa chapas, pueden tener diversa

os

disposiciones tal como se muestra en el gráfico que se muestra, su función es evitar la formación de pliegues y facilitar el desplazamiento del disco entre la matriz y el

D av id

Ac

punzón.

In

g

Las herramientas también se pueden construir sin prensas chapas, para ello se debe acondicionar la matriz con los chaflanes respectivos a fin de ayudar al desplazamiento del material en el momento de la tracción, tal como se muestra en el gráfico.

317

H

or

na


HERRAMIENTAS DE EMBUTIDO TELESCÓPICO:

ta



En ellas se debe tener en cuenta algunas consideraciones para conseguir el objetivo

os

de lograr el estirado del material, para ello la matriz deberá de contar con un chaflán conveniente determinado mediante ensayos, aunque se considera aceptable uno de

D av id

Ac

45° tal como se muestra en el gráfico adjunto.



RADIOS Y ACHAFLANADOS EN LA MATRIZ. Son los responsables de la facilidad o no con que se desplaza el material durante la

In

g

tracción, son responsables también de la formación de los pliegues, de que el material se desgarre, adquiera mayor dureza el material como resultado del embutido.

318



or

na


EXTRACCION DE LA PIEZA EMBUTIDA.

H

Como consecuencia del esfuerzo de tracción el material embutido tiende a quedar pegado al punzón y si no se prevé un sistema que facilite la extracción de la pieza

ta

del punzón puede significar problemas posteriores, una forma adecuada es el tal como se muestra en el grafico que se adjunta, haciendo un resalte o talón en la

EXTRACTOR CON ANILLO Y RESORTE

Ac



os

parte inferior de la matriz.

D av id

ANILLO

RESORTE

Es común el uso de anillos partidos unidos por un resorte que actúan como extractor, el diámetro interior del anillo deberá llevar un redondamiento adecuado

In

g

que permita el paso del punzón y el material, estirando el resorte durante el descenso del mismo, durante es ascenso del punzón el resorte se comprime y actúa el anillo como extractor

319


6.10

ENSAYO DE ERICHSEN

na

GENERALIDADES

La producción de elementos de chapa estampada se puede considerar como uno

or

de los mas importantes en el campo industrial de la producción en serie. Con el proceso de embutido se logra que la producción en serie, sea de gran calidad y homogeneidad.

H

Hoy en día el elemento de chapa estampada es utilizado en un vasta escala de aplicaciones como : paneles de automóviles, piezas de aeroplanos, calculadoras, maquinas de cocer, motocicletas, etc. La chapa estampada concebida de forma

ta

racional, sustituye, o reduce, la soldadura, tornillos y pernos de una pieza, en lugar de muchas piezas unidas se tiene una sola integral, por ésta razón surgen algunas de las

os

grandes ventajas del proceso, la simplicidad de la pieza, la ligereza y la mayor

Ac

resistencia mecánica.

El buen resultado de éste proceso depende en gran parte por la calidad del material, éste debe ofrecer la máxima capacidad de deformación en frío sin que aparezcan grietas en la superficie de éste, el material debe ser resistente, dúctil y

D av id

maleable. Actualmente para medir las propiedades de los materiales que deben sufrir acciones mecánicas, se recurre a los ensayos de resistencia a la tracción, a la torsión, ensayos de dureza y de fragilidad, sin embargo estos ensayos para las operaciones de embutido, no nos proporcionan los datos necesarios, por lo tanto se recurre a ensayos especiales que relacionan el espesor de la chapa y las cualidades del material, como lo son : el ensayo de Erichsen, ensayo de embutición de la cazoleta, y ensayo de

g

embutición con estiramiento del agujero central. El ensayo de Erichsen se considera uno de los mas eficaces y sencillos para

In

determinar las características del material para el embutido.

320

Procesos de Manufactura II INTRODUCCIÓN Este ensayo consiste en embutir un probeta ( en nuestro caso de forma circular )

na

con un punzón que en su extremo tiene una bola de acero, hasta la aparición de algún indicio de grieta superficial, para luego medir la profundidad que se logro embutir la

D av id

Ac

os

ta

H

or

chapa, ésta profundidad en milímetros representa el numero de embutición de Erichsen.

En el dibujo se aprecia claramente la forma de sujetar la probeta con el fin de

que ésta no se levante, este apriete no debe ser muy fuerte hasta el punto que la probeta no pueda deslizare, ya que así produciría deformaciones en el material, perdiendo espesor y propiedades mecánicas, lo cual perjudica el proceso. La bola

In

g

utilizada es de 19 mm de diámetro.

321

Procesos de Manufactura II A continuación se entrega un tabla de datos con la información sobre ensayos

Espesor

Diámetro 1

Diámetro 2

Profundidad

Latón

1 1 1 0,5 0,5 0,5

62,2 62,2 62,2 62,2 62,35 62,35

62,15 62,15 62,15 62,2 62,2

8,8 8,8 8,7 7 7,4

Cobre

1 1 1 0,5 0,5

62,35 62,35 62,35 62,35 62,35

62,3 62,3 62,3 62,3 62,25

8,6 8,8 9,7 6,8 7,6

Aluminio

1 1 1 1

62,3 62,3 62,25 62,3

6,5 7,3 7,7 7,4

H

se ovaló

os

ta

nula

Ac

D av id

62,35 62,35 62,3 62,35

Observación

or

Material

na

Erichsen aplicados a tres diferentes tipos de materiales.

sin grieta con grieta fractura sin grieta fractura

Diámetro 1 : Diámetro medido a la probeta antes de someterla al ensayo Diámetro 2 : Diámetro medido a la probeta después de someterla al ensayo (

apenas se logra apreciar un encogimiento de la probeta ) En el caso del cobre sin grietas significa que la probeta se retiro un poco antes

g

de que se produjeran grietas, sin embargo si se mantenía por un tiempo mas éstas se

In

rajaban. La cuarta probeta de latón se ovaló quizás porque el aprieta chapa no se fijo de

manera adecuada. La probeta anulada fue porque el embutido quedo fuera de el centro de la placa.

322

Procesos de Manufactura II A continuación, considerando los mejores resultados, se presenta un cuadro resumen de los datos obtenidos, donde se relaciona el espesor de la probeta con la

Latón

Cobre

Aluminio

1

8,7

8,6

7,3

0,5

7,4

6,8

H

or

Espesor

na

profundidad de embutido lograda y el material.

ta

Curvas de formabilidad según material

os

8 7

Latón Cobre

6

Ac

Profundidad [mm]

9

5 4 3 0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

D av id

0,4

Espesor [mm]

En el gráfico anterior se puede apreciar como la profundidad de embutido, se ve

perjudicada o disminuida por el adelgazamiento de la placa, también se puede apreciar las curvas de formabilidad del Latón y del Cobre, en donde la curva del cobre esta desplazada hacia abajo con respecto a la del latón, indicando menos formabilidad. La

g

curva del aluminio no se pudo representar ya que todas las probetas eran de 1 mm de

In

espesor, por lo tanto no se tiene referencia de otro valor de espesor.

323

Procesos de Manufactura II Se considera una chapa de baja formabilidad a aquella que tenga una huella de profundidad inferior a 9 mm, de formabilidad mediana a la que tenga una profundidad

na

entre 9 y 12 mm, y de alta formabilidad sobre 12 mm. CONCLUSIONES

or

Debido a las numerosas aplicaciones que tiene el estampado hoy en día es de vital importancia reconocer los materiales que mejor soportan éste proceso mecánico.

H

Para esto es utilizado el ensayo de Erichsen.

Se realizo el ensayo de Erichsen a tres diferentes materiales, Latón, Cobre y

ta

Aluminio. En las tablas mostradas anteriormente se demostró que el Latón es capaz de deformarce mas que los otros antes de romperce, el cobre fue el siguiente material en

os

resistir mejor el material y por ultimo el aluminio, del cual solo ensayamos probetas de 1 mm de espesor, por tanto no se pudo determinar su comportamiento en forma

Ac

completa. Ademas se aprecia claramente en el gráfico suministrado que a medida que las piezas son de menor grosor su formabilidad disminuye, sin embargo considerando que ninguno de los tres materiales, en ambos grosores, no superaron la profundidad de

In

g

D av id

9 mm, que según el apunte guía es considerado como un material de baja formabilidad.

324

7.1

os

ta

DOBLADO

H

CAPITULO VII

or

na


OPERACIONES DE DOBLADO

En el trabajo de láminas metálicas el doblado se define como la deformación del

Ac

metal alrededor de un eje recto, como se muestra en la figura 7.1. Durante la operación de doblado, el metal dentro del plano neutral se comprime, mientras que el metal por fuera del plano neutral se estira. Estas condiciones de deformación se pueden ver en la

D av id

figura 7.1. El metal se deforma plásticamente así que el doblez toma una forma permanente al remover los esfuerzos que lo causaron. El doblado produce poco o

In

g

ningún cambio en el espesor de la lámina metálica.

Figura Nº3.62(a) 7.1 FIGURA Doblado de lámina metálica; (b) en el doblado ocurre elongación a la tensión y a la compresión.

325


DOBLADO EN V Y DOBLADO DE BORDES Las operaciones de doblado se realizan usando como herramientas de trabajo

na

diversos tipos de punzones y dados. Los dos métodos de doblado más comunes y sus herramientas asociadas son el doblado en V, ejecutado con un dado en V; y el doblado

Ac

Figura Nº 7.2

os

ta

H

or

de bordes, ejecutado con un dado deslizante. Estos métodos se ilustran en la figura 2.1.

D av id

En el doblado en V, la lámina de metal se dobla entre un punzón y un dado en forma de V, los ángulos van desde los muy obtusos hasta los muy agudos. El doblado en V se usa generalmente para operaciones de baja producción y se realizan frecuentemente en una prensa de cortina, los correspondientes dados en V son relativamente simples y de bajo costo. El doblado de bordes involucra una carga voladiza sobre la lámina de metal. Se

usa una placa de presión, que aplica una fuerza de sujeción Fh para sujetar la lámina

contra el dado, mientras el punzón fuerza la parte volada para doblarla sobre el borde

g

del dado. En el arreglo que se ilustra en la figura 7.2, el doblado se limita a ángulos de

In

90º o menores. Se pueden diseñar dados deslizantes más complicados para ángulos mayores de 90º. Debido a la presión del sujetador, los dados deslizantes son más complicados y más costosos que los dados en V y se usan generalmente para trabajos de alta producción.

326


ANÁLISIS DE INGENIERÍA DEL DOBLADO Algunos términos importantes del doblado se identifican en la figura 7.2. El metal,

cuyo grosor es t se dobla a través de un ángulo, llamado ángulo de doblado A. El

na

resultado es una lámina de metal con un ángulo inducido A', tal que A + A' = 180º. El radio del doblez R se especifica normalmente sobre la parte interna, en lugar de sobre el eje neutral. Este radio del ángulo se determina por el radio de la herramienta que se

or

usa para ejecutar la operación. El doblado se hace sobre el ancho de la pieza de trabajo w.

H

Tolerancia de doblado Si el radio del doblado es pequeño con respecto al espesor del material, el metal tiende a estirarse durante el doblado. Es importante poder estimar la magnitud del estirado que ocurre, de manera que la longitud de la parte final

ta

pueda coincidir con la dimensión especificada. El problema es determinar la longitud del eje neutro antes del doblado, para tomar en cuenta el estirado de la sección doblada

D av id

Ac

os

final. Esta longitud se llama tolerancia de doblado y se puede estimar como sigue:

Recuperación elástica Cuando la presión de doblado se retira, la energía elástica

permanece en la parte doblada haciendo que ésta recobre parcialmente su forma

g

original. Esta recuperación elástica es llamada recuperación elástica y se define como el incremento del ángulo comprendido por la parte doblada en relación con el ángulo

In

comprendido por la herramienta formadora después de que ésta se retira. Esto se ilustra en la figura 7.3 y se expresa como:

327

os

ta

H

or

na


Ac

FIGURA 3.64 la recuperación elástica en el doblado se muestra como una disminución Figura Nº 7.3 en el ángulo de doblado y un incremento del radio de Rb, doblado: (1) durante la operación, el trabajo es forzado a tomar el radio Rb y el ángulo incluido A’b, ambos

D av id

están determinados por la herramienta de doblado (punzón de doblado en V); (2) una vez que se retira el punzón, el material regresa al radio R y al ángulo incluido A'. El símbolo F = fuerza de doblado aplicada. Aunque no tan obvio, ocurre un incremento en el radio de doblado debido a la

recuperación elástica. La magnitud de la recuperación elástica se incrementa por el módulo de elasticidad E y la resistencia a la fluencia Y del metal del trabajo.

g

Se puede lograr una compensación para la recuperación elástica por varios

métodos Dos métodos comunes son el sobredoblado y el fondeado. En el

In

sobredoblado, el ángulo del punzón y su radio se fabrican ligeramente menores que el ángulo especificado en la parte final, de manera que la lámina regrese al valor deseado.

El fondeado involucra comprimir la parte al final de la carrera deformándola

328

Procesos de Manufactura II plásticamente en la región de doblado, Fuerza de doblado La fuerza que se requiere para realizar el doblado depende

na

de la geometría del punzón y del dado, así como de la resistencia, espesor y ancho de la lámina de metal que se dobla, La fuerza máxima de doblado se puede estimar por medio de la siguiente ecuación, basada en el doblado de una viga simple: 2

or

F= D

Kbf TSwt

H

Donde F = fuerza de doblado, (N);TS = resistencia a la tensión del metal en lámina, (MPa);w = ancho de la parte en la dirección del eje de doblez, (mm);t = espesor del

ta

material o la parte, (mm);D = dimensión del dado abierto en (mm), como se define en la figura 7.4.

os

En mecánica, la ecuación se basa en el doblado de una viga simple, y Kbf es una constante que considera las diferencias para un proceso real de doblado, Su valor

D av id

Kbf = 0.33.

Ac

depende del tipo de doblado; para doblado en V, Kbf = 1.33 y para doblado de bordes,

In

g

Figura Nº 7.4

EJEMPLO 7.1 Doblado de lámina metálica

Se dobla una pieza hecha de lámina de metal como se muestra en la figura 7.5. El

329

Procesos de Manufactura II metal tiene un modulo de elasticidad E = 205 GPa, resistencia a la fluencia Y = 275 MPa y resistencia a la tensión TS = 448 MPa. Determine a) el tamaño inicial de la pieza

os

ta

H

or

na

y b) la fuerza de doblado, si se usa un dado en V con una abertura D= 25 mm

Solución:

Ac

Figura Nº 7.5

a) La pieza inicial será 44 mm de ancho. Su longitud será igual a 38 + 25 + BA. Como se muestra, para un ángulo incluido A' = 120º, el ángulo de doblado = 60º. En la

D av id

ecuación 22.6 el valor de Kba = 0.33 ya que R/t = 5/3 = 1.66 (menor que 2.0)

La longitud de la pieza es entonces 68.184 mm.

In

g

b) La fuerza se obtiene de la ecuación 3.49, usando Kba = 1.33.

330


OTRAS OPERACIONES DE DOBLADO Se dispone de otras operaciones de doblado adicional, además de las de doblado

en V y doblado de bordes. Algunas de éstas involucran el doblado sobre ejes curvos en

na

lugar de ejes rectos, o tienen otras características que las diferencian de las operaciones básicas descritas anteriormente.

Formado de bridas, doblez, engargolado y rebordeado El formado de bridas es

or

una operación en la cual el filo de una lámina se dobla en un ángulo de 90º para formar un borde, Se usa frecuentemente para reforzar o dar rigidez a la parte de lámina

H

metálica, El borde se puede formar en un doblez sobre un eje recto, como se ilustra en la figura 7.6, o puede involucrar algunos estiramientos o contracciones del metal como

D av id

Figura Nº 7.6

Ac

os

ta

en las partes (b) y (c).

El doblez involucra el doblado del borde de la lámina sobre sí misma en más de

un paso de doblado. Esto se hace frecuentemente para eliminar el filo agudo de la pieza. Para incrementar la rigidez y para mejorar su apariencia. El engargolado o

empalme es una operación relacionada en la cual se ensamblan dos bordes de láminas metálicas.

g

En el rebordeado, también llamado formado de molduras, los bordes de la parte

se producen en forma de rizo o rollo. Tanto esta operación como el doblez se hacen

In

con fines de seguridad, resistencia y estética. Algunos ejemplos de productos en los cuales se usa el ribeteado incluyen bisagras, ollas, sartenes y cajas para relojes de bolsillo. Estos ejemplos demuestran que el ribeteado se puede ejecutar sobre ejes rectos o curvos.

331

na


or

Figura Nº 7.7

Operaciones misceláneas de doblado En la figura 7.7 se muestran algunas

H

otras operaciones de doblado para ilustrar varias formas en las que se puede doblar una lámina La mayoría de estas operaciones se realizan en dados relativamente

g

D av id

Ac

os

ta

simples y similares a los dados en V.

In

Figura Nº 7.8

332


DOBLADO DE TUBOS Los tubos se doblan por muchas razones. Un motivo frecuente es la necesidad de

transportar líquidos, otra razón es permitir la expansión o contracción de sistemas de

na

tubería. Las espirales para transferencia de calor y los componentes tubulares para calderas requieren doblado. Las piezas tubulares se usan con frecuencia como

componentes estructurales en vehículos y máquinas, muebles, rieles, manijas, etc. Los

or

métodos comunes de doblado son los siguientes:

Doblado por compresión La pieza de trabajo se sujeta y dobla alrededor de un

H

dado estacionario con la ayuda de un bloque o un rodillo seguidor. Hay algo más de fuerza de compresión que elongación sobre la pieza de trabajo (aun cuando haya elongación sobre la parte exterior del doblez), y el nombre del método se deriva de este

Ac

os

ta

hecho. La figura(a) muestra un diagrama del proceso.

D av id

El doblado por compresión es un método común, que con frecuencia se realiza a

mano, sobre tubos u otros perfiles de mayores espesores de pared y radios de doblado más grandes. Los tubos de pared delgada usualmente no se doblan por este método. El radio mínimo a la línea de centro para dobleces por compresión es 4 veces el

diámetro del tubo. Con tubos de paredes más delgadas y buen soporte puede hacerse 1

dobleces con radios de sólo 2 /2 veces el diámetro. Los ángulos de doblado llegan a

g

ser hasta de 170º por doblez. Debido a que hay muy poco alargamiento en la cara

In

exterior, los tubos cromados o pintados pueden doblarse con esté método. Doblado por arrastre. En este método, la pieza de trabajo se sujeta contra un

dado que tiene la forma del doblez, como en el doblado por compresión; pero ahora el dado gira jalando la pieza de trabajo por una matriz de presión y, en muchos casos, sobre un mandril, como se muestra en la figura (b). Este método es adecuado para 333

Procesos de Manufactura II tubos de pared delgada, en especial cuando se doblan en radios pequeños, permite un

or

na

control más estrecho sobre la pieza de trabajo que cualquier otro método de doblado.

H

Los dobleces por arrastre se hacen cuando las necesidades dimensionales son estrictas (por ejemplo, en la industria aeronáutica) o cuando se requieren dobleces muy

ta

cerrados de tubos de pared delgada. Aunque se pueden lograr radios de doblado iguales al diámetro del tubo, éstos requieren un cuidado extraordinario, un mandril

os

interno de perfecto ajuste así como zapatas y matrices exteriores. El doblado por arrastre es más común que el doblado por compresión cuando se emplea equipo motriz. Pueden hacerse dobleces de hasta 180º. A continuación en la TABLA 7.1 se

In

g

D av id

Tabla Nº 7.1

Ac

presentan valores para radios de dobles en función del diámetro del tubo

334

Procesos de Manufactura II Doblado por prensado con cabezal Con este método, la pieza de trabajo se coloca entre dos soportes y se presiona contra un dado redondo (cabeza o punzón) como se muestra en la figura (c). Los dos soportes giran sobre un pivote conforme el

H

or

na

cabeza se mueve hacia adelante manteniendo el soporte de la pieza de trabajo.

Este método, aunque brinda poco control sobre el flujo del metal, es muy rápido.

ta

Se emplea en aplicaciones donde se utilizan tubos gruesos o perfiles laminados o extruidos, siempre que se permita alguna distorsión en la sección de la pieza de trabajo

os

y que sea importante tener una rápida producción. Con las máquinas disponibles en la actualidad, el doblado por prensado con cabeza se aplica a tuberías de 10 a 350 mm de

Ac

diámetro. Este método funciona para dobleces de hasta 165º además, se pueden doblar perfiles extremadamente gruesos.

El radio mínimo de doblado a la línea de centro por este método es 3 veces el

D av id

diámetro a menos que sean tolerables deformaciones o aplastamientos en la sección doblada (así como en algunas aplicaciones estructurales). Se prefieren los radios de

In

g

4 a 6 diámetros.

335

na


8.1

TROQUELADO DE METALES

os

ta

H

TROQUELADO

or

CAPITULO VIII

En términos sencillos, el troquelado es un método para trabajar láminas metálicas en

Ac

frío, en forma y tamaño predeterminados, por medio de un troquel y una prensa. El troquel determina el tamaño y forma de la pieza terminada y la prensa suministra la fuerza necesaria para efectuar el cambio.

D av id

Cada troquel está especialmente construido para la operación que va ha efectuar y no es adecuado para otras operaciones. El troquel tiene dos mitades, entre las cuales se coloca la lámina metálica. Cuando las dos mitades del troquel se juntan se lleva a cabo la operación. Normalmente, la mitad superior del troquel es el punzón (la parte más pequeña) y la mitad inferior es la matriz (la parte más grande). Cuando las dos mitades del troquel se juntan, el punzón entra en la matriz.

En la matriz se realizan unas aberturas, por medio de varios métodos. La forma del

punzón corresponde a la abertura de la matriz pero es ligeramente más pequeño, en una

g

cantidad igual a la determinada por el “Juego entre matriz y punzón” requerida. El tipo y

In

espesor del material y la operación que se va a llevar a cabo establecen dicho juego. Las dos partes se encuentran montadas en un portatroquel: la matriz montada sobre

la base y el punzón en una zapata superior. El uso de un portatroquel asegura una alineación adecuada del punzón y la matriz, sin importar el estado de la prensa. Los

336

Procesos de Manufactura II troqueles más simples son los que se emplean para hacer agujeros en una lámina. La prensa usada para llevar a cabo estos cambios de forma tiene una mesa estacionaria o platina, sobre la cual se sujeta la matriz. Una corredera guiada o carro, que

na

sujeta el punzón, se mueve hacia arriba y abajo perpendicularmente a la platina. El movimiento y la fuerza del carro son suministrados por un cigüeñal, un excéntrico o cualquier otro medio mecánico. También se emplean prensas accionadas hidráulicamente.

or

El troquelado de láminas metálicas incluye el corte o cizallado, el doblado o formado

y las operaciones de embutido superficial o profundo. El corte alrededor de toda la periferia

H

de una pieza se llama “recortado". El corte de agujeros en una pieza de trabajo se llama

D av id

Ac

os

ta

"punzado" o, “perforado". La figura 8.1 muestra un troquel recortador con regla de acero.

Figura Nº 8.1

Portatroquel maestro: troquelado en troquel ajustable: es un método útil para

operaciones de troquelado secundarias (después del recortado). El punzonado, recorte en ángulo, avellanado y otras operaciones se encuentran entre las que se pueden efectuar. Este sistema emplea combinaciones reutilizables de matriz y punzón para cada agujero u otro elemento que se troquela en la pieza de trabajo. Estas combinaciones se sujetan a un portatroquel maestro reutilizable. El número de juegos de punzón-matriz usados y su

g

posición determinan la configuración de la pieza de trabajo troquelada. En cada

In

combinación punzón-matriz se tienen incorporados dispositivos botadores, los cuales están atornillados al portatroquel maestro o sostenidos magnéticamente como se muestra en la figura 8.2. Con frecuencia se emplean plantillas para colocar las combinaciones punzónmatriz en especial si el trabajo se realiza periódicamente.

337

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


Figura Nº 8.2

8.2

CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES DEL TROQUELADO DE METALES

Quizá la principal característica de las piezas metálicas troqueladas es que, con unas

cuantas excepciones, el espesor de la pared es esencialmente el mismo en toda la pieza. Las piezas troqueladas terminadas son, algunas veces, bastante complicadas en forma,

g

con muchas salientes, brazos, agujeros de varias formas, huecos, cavidades y secciones

In

levantadas como se muestra es la figura 8.3. En todos los casos, el espesor de la pared es esencialmente uniforme. No se realizan repujados gruesos del tipo que se encuentra en muchos vaciados.

338

or

na


Figura Nº 8.3

H

Los troquelados se llevan a cabo en espesores que varían desde 0.025 mm hasta 9 mm de espesor. El tamaño de las piezas troqueladas va desde la más pequeña usada en

ta

los relojes de pulsera, hasta los, grandes tableros empleados en camiones o aviones. El ingeniero de diseño debe tener presente el borde característico de una pieza

os

troquelada, especialmente si incluye superficies de rozamiento o si, por apariencia u otras razones, se requieren bordes tersos. El diseñador también debe estar consciente de las rebabas que quedan en un lado de las piezas troqueladas y ser cuidadoso al diseñarlas,

Ac

con objeto de poder removerlas con facilidad o que no interfieran con las subsecuentes operaciones o funcionamiento. 8.3

TROQUELADO CONVENCIONAL

D av id

Las piezas troqueladas pueden maquinarse después del recortado o doblado si se

requieren dimensiones más precisas de las que pueden producirse por troquelado, o cuando se requieren formas que no son factibles solamente por troquelado. Ejemplos de esto es el escariado de los barrenos centrales de poleas o engranes troquelados, superficies rectificadas para darles planicidad y ranuras o áreas de alivio que requieren un cambio en el espesor de la pieza.

Cantidades económicas para producción El troquelado convencional es un

g

proceso de alta producción. La producción es muy rápida, de 35 a 500 o más golpes por

In

minuto. Si la producción total es suficiente para justificar el uso de troqueles compuestos o progresivos, tanto el recortado como el doblado pueden realizarse en un solo golpe de prensa. En estos casos, las piezas pueden producirse completas a una velocidad de miles por hora. Un troquel progresivo para la producción de piezas similares a las ilustradas en la 339

Procesos de Manufactura II figura 8.4 requiere altos rangos de producción (250 000 piezas al año, por ejemplo) para justificar la inversión. Los troqueles convencionales para producir tales piezas podrían constar de un troquel recortador y perforador y de un troquel doblador que juntos, cuestan

na

sólo la mitad de un troquel progresivo. Como regla general, un troquel progresivo no deberá considerarse, a menos que puedan eliminarse cuando menos dos operaciones secundarias.

or

El costo de los troqueles de doblez varía considerablemente, según su complejidad y tamaño. Un troquel simple convencional para formar un doblez puede ser muy barato,

H

mientras que un troquel para doblado complejo o un troquel de embutido para una pieza grande puede requerir una inversión grande.

ta

Como resultado de estos significativos costos de herramental para el troquelado de metales, aun con bajos costos de mano de obra por unidad con operaciones múltiples, el

os

troquelado convencional es un proceso para alta producción.

Las prensas troqueladoras son relativamente bajas en costo comparadas con otro equipo para alta producción. Sin embargo, el costo de la prensa no es un factor significativo

Ac

en el cálculo del tamaño del lote económico, debido a que las prensas son versátiles. Casi cualquier prensa tiene la posibilidad de realizar un amplio rango de operaciones de troquelado.

Troquelado de pequeños volúmenes En forma muy general, puede decirse que para

D av id

condiciones promedio, la línea divisora entre producciones de poco volumen y las regulares (de volumen medio) está entre 5000 y 10000 piezas por partida o lote. Probablemente lo más importante es la cantidad total que se espera produzca el herramental durante su vida. Si esta cantidad es menor de 20 000, entonces los métodos para pequeños volúmenes probablemente darán los costos totales más bajos. Cuando se requiere de 10000 a 20000 piezas, puede ser ventajoso tener tanto estimaciones de herramental convencional como de herramental para bajos volúmenes de producción. Esto permite hacer un estudio

g

comparativo de costos.

In

Otra regla para diferenciar el método de bajo volumen y el regular es la siguiente:

cuando el costo de los troqueles excede el costo de las piezas por producir, se trata de un trabajo de bajo volumen. Otra ventaja de los métodos para volúmenes pequeños es el poco tiempo requerido

340

Procesos de Manufactura II para la elaboración del herramental necesario. Debe notarse, sin embargo, que la calidad de las piezas producidas con el herramental de tipo permanente es usualmente superior que la producida con troqueles temporales y, por tanto, la intercambiabilidad de las piezas

na

producidas es mejor.

Los métodos de troquelado para bajos volúmenes deben considerarse en cualesquiera de las siguientes condiciones: (1) Para producciones piloto, prototipo o

or

experimentales, particularmente cuando se esperan cambios de diseño, por lo que aún no

es recomendable el uso de herramental permanente. (2) Para producción de piezas de

H

repuesto después de que el herramental original se ha desechado. (3) Para productos como equipo industrial, médico o de laboratorio cuyos volúmenes de producción no son

ta

grandes. (4) En los casos en que es esencial el envío inmediato de un componente para el éxito comercial de un producto (por ejemplo, un artículo de temporada cuyo desarrollo ha

os

comenzado tardíamente o requiere mucho tiempo). Con un menor tiempo de fabricación del herramental, la producción puede empezar con más rapidez. En estos casos, los requerimientos económicos básicos (bajo costo y alta productividad) pueden desecharse

Ac

con el herramental temporal. Estas consideraciones deben tomarse en consideración cuando luego se desarrolle el herramental de tipo permanente. (5) Como repuesto a herramentales de tipo permanente, cuyo trabajo es esencial, a fin de evitar interrupciones en el proceso de manufactura. (6) Para negocios con escaso presupuesto donde no se

D av id

considera conveniente invertir una gran suma en costoso herramental permanente. Recomendaciones para diseño Utilización del material Las piezas deben diseñarse

para lograr el máximo aprovechamiento del material. Las formas que pueden acomodarse muy juntas son mejores que las que tienen que espaciarse sobre el material. Una pieza en forma de L se acomoda mejor que una en forma de T.

g

Otros ejemplos se ilustran en la figura 8.5. Este aprovechamiento del material también

requiere una estrecha comunicación entre el diseñador y el fabricante de troqueles, o

In

cuando menos la habilidad del diseñador para visualizar una distribución como lo haría el fabricante de troqueles.

341

Ac

os

ta

H

or

na


Figura Nº 8.5 FIGURA 3.88

Dos ejemplos de piezas para permitir un mejor acomodo de

D av id

las planillas y, en consecuencias, un mejor aprovechamiento del material.

También debe considerarse el aprovechamiento de las porciones sobrantes para

producir piezas adicionales. En el caso de grandes proyectos, muchas piezas requerirán el mismo espesor y material. Al diseñar una pieza pequeña a partir de un pedazo de material remanente del recorte de una pieza más grande, el diseñador ahorra material. En estos casos, deben hacerse las anotaciones pertinentes en el dibujo para proporcionarla

g

información al personal de manufactura. La figura 8.5 presenta un ejemplo de este tipo de

In

casos.

Otro ejemplo es el troquel típico para la laminación de un motor en el que las piezas

de la armadura y del campo se hacen de la misma tira de material con muy poco desperdicio véase la figura .

342

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


Figura Nº 8.6 FIGURA 3.90 Secuencia típica del recorte de laminaciones para un motor con un troquel progresivo; muestra cómo Las laminaciones tanto de la armadura como de campos se

343

Procesos de Manufactura II cortan de la misma tira de material con muy poco desperdicio. (Cortesía de Pie Singer

na

Company.)

Agujeros. El diámetro de los agujeros perforados no debe ser menor al espesor del material, como se muestra en la figura 8.7. Los manguitos de soporte de punzones

or

especialmente sincronizados o el método de troquelado fino, permiten hacer agujeros más

pequeños; pero con el herramental convencional de troquelado, la rotura de punzones se

D av id

Ac

os

ta

H

vuelve excesiva si se intentan perforar agujeros más pequeños que el mínimo establecido.

FIGURA 8.7 Reglas de diseño para el tamaño y espaciamiento de los agujero

El espaciamiento entre agujeros debe tener un mínimo de 2 veces el espesor del

g

material, aun cuando se prefieren 3 veces desde el punto de vista de la resistencia del

In

troquel. Por ejemplo, si el espesor de la pared es demasiado pequeño, la capacidad de la matriz para resistir la presión de perforado es amenazada seriamente.

344

or

na


H

FIGURA 8.8 Los agujeros perforados no deben localizarse demasiado cerca del

ta

borde de la pieza.

La distancia mínima del borde de un agujero al siguiente debe ser cuando menos

os

igual al espesor del material, aunque es preferible que sea de 1.5 a 2 veces al espesor véase figura 8.8. Un espaciamiento demasiado pequeño hace que la pieza se deforme en el área del borde que esta junto al agujero.

Ac

Perforar un agujero antes de doblar la pieza es menos costoso que efectuar el perforado o barrenado de la pieza como una operación secundaria. La distancia mínima entre el borde inferior de un agujero y la otra superficie debe ser 1.5 veces el espesor del material, más el radio del doblez, según se ilustra en la figura 8.9. El agujero se distorsiona

In

g

D av id

si esta distancia mínima no se respeta.

FIGURA 8.9 Espaciamiento mínimo entre un agujero perforado y un doblez para evitar la distorsión del agujero.

345


Los autores han empleado el siguiente método para eliminar o minimizar la distorsión cuando el diseño requiere que el borde inferior del agujero esté a una distancia menor que

na

la distancia mínima recomendada.

Una ranura no funcional, ya sea cuadrada o rectangular, puede perforarse

or

directamente debajo del agujero o agujeros deseados (debe respetarse la distancia mínima de un espesor de pared entre los agujeros). Debido a esto, durante el doblez ningún

H

esfuerzo o deformación (o al menos muy poca) se transmite al agujero figura 8.10. El

D av id

Ac

os

ta

método de prueba y error en la experiencia son necesarias para determinar dimensiones.

g

FIGURA. 8.10 Método para evitar la distorsión de agujeros ubicados junto a un

In

doblez.

346

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


FIGURA 8.11 Problema de alineación de los agujeros en los extremos opuestos de una pieza doblada en U. (a) Método normal. No se recomienda si se requiere una alineación precisa de los agujeros. (b) Método más preciso: agujeros perforados o barrenados después del doblado. (c) Los agujeros ovales o sobredimensionados compensan el

g

desalineamiento. (d) El agujero piloto asegura que la plantilla quede centrada en la matriz

In

de doblado. A menudo se desea incluir dos agujeros alineados en los extremos opuestos de una

pieza doblada en U, con objeto de sostener una flecha o con algún otro propósito. Los diseñadores deben entender que es difícil doblar una pieza a partir de una plantilla preperforada que tenga los agujeros alineados con precisión. Pueden considerarse varias 347

Procesos de Manufactura II alternativas: (1) perforar o barrenar los agujeros después del formado. Esto es más caro, pero permite una excelente alineación. (2) Usar amplias tolerancias en los agujeros o hacer en uno de ellos una ranura para alinear la pieza, si la función de la pieza lo permite. (3)

na

Incluir un agujero piloto en el fondo de la U. Se hace coincidir este agujero con un perno localizado en la matriz de doblado, en el cual se coloca la plantilla. (Otro punto, si verdaderamente se quiere alinear con precisión mediante este método, es usar materiales

or

con un estrecho control de espesor. Aun cuando el material con una estrecha tolerancia de

espesor tiene un precio mayor, el costo adicional puede más que compensarse por los

H

ahorros realizados al no tener que llevara cabo una operación secundaria.

El diseñador de piezas troqueladas debe intentar siempre especificar agujeros

ta

redondos en lugar de agujeros cuadrados, rectangulares u otras formas. Los costos de hacer punzones y matrices redondos son bastante más bajos que para cualquier otra

In

g

D av id

Ac

os

forma.

348

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


FIGURA 8.12 Las proyecciones y lengüetas estrechas hacen que los punzones deL troquel sean estrechos y frágiles. Esto debe evitarse. Las proyecciones deben ser anchas si

In

g

posteriormente van a someterse a operaciones de doblado.

349

Procesos de Manufactura II Aristas afiladas. Las aristas a escuadra, ya sea internas o externas, deben evitarse siempre que sea posible. Las aristas externas a escuadra tienden a romper prematuramente los punzones o matrices, originando rasgaduras, grandes rebabas o

na

bordes ásperos en el área de la arista de la pieza recortada. Asimismo las aristas interiores a escuadra en punzones y matrices son un punto de concentración de esfuerzo que pueden llevar a la rotura y falla durante el tratamiento térmico o uso. Una regla general es

or

dejar la arista con un radio mínimo de redondeo de una y media veces el espesor del

material y nunca menor de 0.8 mm. Debe recordarse que inevitablemente habrá una arista

H

a escuadra siempre que dos bordes producidos por operaciones de cizallado, ranurado o recortado hagan intersección en ángulo aproximadamente recto. Tales esquinas pueden

ta

redondearse puliendo la pieza en tambor o mediante alguna otra operación segundaria. Secciones estrechas Las proyecciones largas y estrechas deben evitarse, dado que

os

tienden a distorsionarse y requieren punzones delgados y frágiles. Como regla general, las secciones largas no deben ser menores de 1.5 veces el espesor del material. Si la

Ac

proyección o lengüeta es relativamente corta, esta precaución puede ser menos estricta. La figura muestra algunos ejemplos 8.4

PROCESO DE TROQUELADO FINO

D av id

El proceso de troquelado fino es una técnica de prensado que utiliza una prensa

especial y herramientas y troqueles de precisión para la producción de piezas que quedan casi terminadas y listas para usar cuando salen de la prensa de troquelado fino, a diferencia de las piezas que se troquelan por métodos convencionales. El troquelado fino produce piezas con superficies cortadas limpiamente a lo largo de todo el espesor del material. En comparación, las piezas troqueladas convencionalmente por lo general exhiben un borde cortado con limpieza sólo sobre un tercio del espesor del material y el

g

resto presenta fracturas. Con el troquelado convencional, cuando estas superficies

In

desempeñan alguna función, se puede requerir alguna forma de operación secundaria de acabado, como, rectificado, escariado, pulido, etc. A menudo se necesitan varias de estas operaciones para terminar la pieza. Cuando se emplea el troquelado fino, aparte del mejoramiento de la calidad de las superficies cortadas, puede obtenerse una mayor

350

Procesos de Manufactura II precisión dimensional; además el proceso permite operaciones que normalmente no se realizan con troquelado convencional.

na

Ciclo de la prensa En la figura 8.13 se presenta la secuencia de operaciones durante un ciclo de la prensa para troquelado fino: (1) el troquel se carga con material (2) El movimiento hacia arriba del carro levanta la platina inferior y el portatroquel. Esto levanta el

or

material hasta la cara de la matriz. (3) Conforme cierra el troquel, el anillo V se encaja en el material. El material se sujeta entre el anillo V (o aguijón) y la placa de la matriz, por fuera

H

del perímetro de corte. El contrapunzón (el cual está bajo presión) sujeta el material contra la cara del punzón cortador por la parte interior del perímetro de corte. (4) Mientras la presión del anillo V y la contrapresión se mantienen constantes, el punzón continúa su

ta

carrera hacia arriba, cortando limpiamente la pieza. Ésta queda dentro de la matriz mientras que el recorte interior queda dentro del punzón. En la posición máxima superior,

os

todas las presiones son eliminadas. (5) El carro se retrae y se abre el troquel. (6) Casi enseguida de que se abre el herramental, se vuelve a aplicar la presión del anillo V. Esto

Ac

desprende del punzón la tira del material que había quedado insertada en él y empuja el recorte interior fuera del punzón. La alimentación con material comienza. (7) Se vuelve a aplicar la contrapresión expulsando la pieza que continuaba en la matriz. (8) La pieza y el recorte se saca del área del troquel por medio de un chorro de aire o con un brazo

In

g

D av id

removedor. (9) El ciclo se completa y queda listo para volver a empezar.

351

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


FIGURA 8.13 Ciclo de una prensa de troquelado fino. Herramental troqueles, troqueles progresivos Siempre que es posible, se produce una

352

Procesos de Manufactura II pieza con un troquel compuesto con objeto de fabricarla en una sola operación. Los troqueles progresivos para troquelado fino han estado en uso por varios años. Las operaciones que pueden efectuarse en los troqueles progresivos para troquelado

na

fino son las siguientes: Achaflanado (interno o externo)



Doblado (laterales, lengüetas salientes, etc.)



Acuñado para abocados adelgazado del material en componentes tipo martillo,

or



bridas y monedas medallas.

Formado embutidos superficiales son posibles en ciertas piezas y materiales).

H



ta

Características típicas y sus aplicaciones Las razones para considerar el troquelado fino incluyen la necesidad de acabados superficiales mejorados, forma de

os

escuadra en los bordes cortados, mayor precisión dimensional y una apariencia y planicidad superiores, comparadas con las que se obtienen mediante el troquelado convencional

Ac

Se pueden incorporar piezas como pistas para levas, pernos localizadores, remaches y guías a la pieza hecha por troquelado fino. La producción de engranes, segmentos de engrane, trinquetes y cremalleras es uno de los principales campos de aplicación del troquelado fino.

D av id

Acabado superficial y escuadrado de los bordes El acabado promedio de la superficie

en piezas hechas por troquelado fino es de 0.45 µm. Es posible obtener un súper acabado de 0.1 a 0.2µm con matrices de carburo para aplicaciones como levas especiales para las cuales se requiere una superficie pulida. Debido al desgaste de los troqueles y a los materiales usados, la cifra de 0.45 µm puede rebasarse después de producir cierto número de piezas.

La perpendicularidad se los bordes cortados rara vez es de 90 grados, pero no varia

g

mas de 40 a 50 minutos, aproximadamente. La calidad del material cortado y le estado del

In

herramental son las condiciones que mas influyen en estas características. Cantidades económicas para producción Generalmente el troquelado fino puede

clasificarse como un proceso de producción de alto volumen, ya que la calidad y el costo del herramental requieren una razonable cantidad de piezas para justificar el gasto. Una

353

Procesos de Manufactura II comparación entre varios métodos de producción debe mostrar una verdadera justificación, debido a que los costos del herramental no son el único factor que debe tomarse en cuenta. En algunos casos, cantidades de 1000 a 5000 piezas pueden amortizar el costo del

na

herramental. Esto sucede cuando se elimina una costosa operación secundaria (como el

perfilado por control numérico, rectificado o un escariado difícil) al diseñar la fabricación de la pieza por medio de troquelado fino. Como guía general, puede decirse que las

or

cantidades mínimas por considerar están entre 10000 y 20000 piezas.

Comparaciones producción tiempo El ciclo de operación es ligeramente más lento en

H

el troquelado fino que en el troquelado convencional. Una rapidez de prensa de 45 golpes por minuto podría ser un buen promedio en las operaciones de troquelado fino. Al comparar

ta

el troquelado fino con el troquelado convencional, el costo total de todas las operaciones necesarias para completar una pieza incluyendo el maquinado secundario, deben

os

considerarse.

Recomendaciones de diseño de piezas Radios de redondea En las piezas hechas por troquelado fino las aristas deben redondearse. Si no se redondea o si el radio es

Ac

demasiado pequeño, el borde cerca de la esquina mostrará rasgaduras en el material en las zonas de corte. El punzón principal y los punzones interiores de la forma pueden generar rebabas en estas áreas después de un reducido periodo de uso

D av id

El ángulo de la arista el tipo y espesor del material determinan el radio de redondeo

mínimo requerido. En general, se aplican los siguientes valores: Ángulos obtusos: radio entre el 5 al 10% del espesor del material Ángulos rectos: radio entre el 10 y 15% del espesor del material Ángulos agudos: radio entre el 25 y 30% del espesor del material Estos se refieren a aristas externas. Las aristas internas pueden dimensionarse

usando dos tercios de los valores anteriores. En general, el radio máximo posible debe

g

especificare en todos los casos, ya que esta previsión puede beneficiar la duración del

In

herramental, véase la figura 8.14

354

os

ta

H

or

na


fino.

Ac

FIGURA 8.14 Radios de redondeo recomendados para piezas hechas por troquelado

Agujeros y ranuras Por lo general, los agujeros en materiales de 1 a 4 mm de espesor

D av id

pueden troquelarse dejando una distancia que corresponda al 60 o 65% del espesor del material entre el agujero y el borde. Cuando se trabaja con materiales más gruesos la presión específica de corte se hace mayor en esas áreas críticas. También se incrementa la rapidez de calentamiento de los componentes de corte. La experiencia señala que las distancias mencionadas deben aumentarse cuando se utilizan materiales de más de 4 mm de espesor.

Básicamente, se aplican los mismos datos tanto para el diámetro de los agujeros

g

como para el ancho de las ranuras. Las recomendaciones para aplicaciones pueden

In

obtenerse de los datos proporcionados en la figura 8.15.

355

os

ta

H

or

na


FIGURA 8.15 Regla de diseños para ranuras hechas por troquelado fino

Ac

Formas dentadas. Las formas de dientes para engranes, cremalleras, etc. pueden hacerse por troquelado fino cuando el ancho del diente en el radio del círculo de paso es el 60% o más del espesor del material En ciertos casos, el ancho puede reducirse al 40% del

D av id

espesor del material. Los factores determinantes son la forma del diente y el tipo de material trabajado.

Debe tenerse en cuenta que las crestas y la raíz de los dientes han de tener cierto

radio. En prácticamente todos los casos esto es permisibles, ya que la forma del diente en estas áreas generalmente no tiene ninguna función real. 8.5

CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS DE UN TROQUEL PARA PUNZONAR

In

g

La Fig. 8.16 muestra sus principales componentes y se explican a continuación.

356

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


Figura Nº 8.16

Espiga. Es el medio de unión entre la zapata superior y el carro de la prensa: la Fig.

g

muestra algunos tipos de espigas, la entalladura y la forma cónica tienen por objeto lograr

In

tina sujeción más firme en la prensa.

357

Ac

os

ta

H

or

na


D av id

Figura Nº 8.17

La espiga de mayor uso es la de cuerpo cilíndrico y sus dimensiones varían en función

In

g

de la capacidad de la prensa, según se muestra en la Tabla 6.2.4.

Zapata superior. Sujeta a la sufridera y sirve para fijar el troquel al carro de la prensa,

358

Procesos de Manufactura II mediante la espiga o con tornillos Allen; esto último es el caso de los troqueles de gran tamaño donde conviene fijar en las esquinas o extremos de la zapata.Sufridera. Evita el desplazamiento axial de los punzones al momento de la operación y sirve como base al

na

portapunzones.

Portapunzones. Da alojamiento y sostiene a los punzones. En la Fig. 8.18 se aprecian tres

Ac

os

ta

H

or

maneras de sujetar los punzones.

Figura Nº 8.18

D av id

El alojamiento del punzón "A" en la Fig. 8.18 es de forma cónica y se obtiene por medio de recalcado con martillo; el punzón "B" está dentro de una funda o casquillo con el que se logra mayor resistencia a la flexión.

El punzón "C" de la misma figura, es cilíndrico y está provisto de una cabeza también de forma cilíndrica, para ser empotrado en la caja según se muestra. La Fig. 8.19, exhibe otros métodos de sujeción de punzones. De estas figuras puede

concluirse que se puede prescindir del uso de la placa portapunzones

g

El procedimiento empleado para la sujeción de punzones depende dé los siguientes

In

factores:

a) Dimensiones del punzón.b) Forma del punzón.c) Técnica de fabricación del punzón.d)

359


os

Figura Nº 8.19

ta

H

or

na

Tipo de troquel.e) Espesor de la chapa y tipo de material.f) Cantidad de piezas a cortar.

Así, por ejemplo, para realizar agujeros de diámetro pequeño se utilizarán los métodos de las Figs. 8.19; tratándose de agujeros simples con cualquier perfil, pueden usarse los

Ac

demás métodos. Tapa guía. Tiene por objeto guiar a la tira progresiva durante su paso por el troquel, así como actuar de prensachapas o retensor de la chapa cortada, esto se debe a que el punzón tiende a levantar la tira debido a la entalladura del recorte sobre el punzón.

D av id

La entalladura se debe a la recuperación elástica del material después del troquelado. Su

espesor puede ser determinado por la altura total del punzón, de acuerdo con la siguiente

In

g

igualdad.

La tapa guía tiene exactamente las mismas figuras que la placa matriz; a través de ella

360

Procesos de Manufactura II pasan los punzones, por lo cual su fabricación debe ser tan cuidadosa como la de la misma placa matriz; en virtud de que se genera gran cantidad de calor por la fricción entre el punzón y las paredes de los agujeros, las aristas superiores de estos últimos se achaflanan

na

a 45°, de esta manera, al lubricar durante la operación se depositan pequeñas reservas de

Ac

Figura Nº 8.18

os

ta

H

or

aceite en los biseles (Fig. 8.18).

Los punzones. Son las partes móviles del troquel que se acoplan al carro de la prensa

D av id

mediante el portapunzones y tienen la figura total o parcial de la pieza que se quiere obtener

Su movimiento debe ser estrictamente perpendicular a la matriz, por lo cual, debe haber

un ligero juego (0.02 a 0.05 mm) entre sus paredes y los agujeros de la tapa guía, en estas condiciones, aún cuando existan defectos en la prensa, tales como juego en el carro o falta de perpendicularidad entre éste y la tapa guía, no se producirá choque entre el punzón y

g

las aristas superiores del agujero de la placa guía.

In

El diseño de punzones requiere-de atención especial para evitar que -resulten demasiado

débiles y sufran continuas roturas. Los punzones con diámetro igual al espesor de la chapa, destinados al corte, están propensos a romperse, para reducir al mínimo esta falla se fabrican con perfiles como los mostrados en la Fig. 8.19.

361

ta

H

or

na


os

Figura Nº 8.19

En la Fig. 8.19a, solamente una longitud de 2 a 3 veces el diámetro del punzón tiene igual

Ac

diámetro que el agujero, la parte restante tiene diámetro superior al de punzonado. En la Fig. 8.19b, la perforación del agujero se realiza con una longitud igual que la anterior, el alma del punzón es una varilla de acero templado cuyo diámetro es igual al del agujero. La

D av id

varilla está protegida por una funda que le impide flexionarse. El método mostrado en la Fig. 8.19 c posee una varilla templada corta que se atornilla a

una varilla de diámetro mayor, esta últimá está cubierta con una funda como el caso anterior, con este punzón se reduce el acero empleado, además de lograr sustituciones más rápidas.

Para punzones pequeños no circulares, o con cortes parciales, también es recomendable

maquinar un hombro en el lado contrario a la zona de corte (Fig. 6.9.11 del ejemplo de este

g

capítulo), al penetrar primero el hombro a la matriz, se evita la flexión del punzón y se

In

alarga su vida útil. Pilotos. Permiten el centrado de la tira progresiva en las diferente etapas del avance, con

el propósito de que la operación de punzado o doblado se efectúe en la posición justa de

362

Procesos de Manufactura II trabajo. Esto se logra diseñando los pilotos con mayor longitud que los punzones de recorte.

na

Para conseguir este centrado, los pilotos deben estar ubicados en pasos muertos para permitir que se alojen en los agujeros ya punzados, en la Fig. 8.20 se muestra una

D av id

Ac

os

ta

H

or

disposición.

g

Figura Nº 8.20

In

Cuando la tira progresiva pierde el paso por alguna falla en el alimentador o en el

desenrollador, los pilotos actúan como punzones de recorte, por lo tanto, es necesario que el agujero en la matriz tenga ángulo de salida. La matriz., conjuntamente con el punzón es una de las piezas esenciales del troquel,

363

Procesos de Manufactura II soporta grandes esfuerzos debido a los impactos. Sus características más importantes son:

na

a) Angulo de escape de la matriz. b) juego entre punzón y matriz.

Las matrices se fabrican principalmente de dos formas: convencional y por electroerosión

or

con máquinas de alambre. El primer método implica el seccionamiento de la matriz y del

portapunzón para facilitar su fabricación, mientras que el segundo permite obtener matrices

H

y portapunzones de una sola pieza. Cuando el diámetro de¡ alambre de la electroerosionadora es igual a la holgura entre el punzón y la matriz, se pueden obtener de

ta

una sola operación ambos elementos, ya que el recorte de la placa lo hace el punzón. La decisión entre el empleo de uno u otro método deberá fundarse en el número de

os

troqueles que se van a fabricar, exactitud requerida de éstos, capacidad económica de la empresa, respaldo técnico del vendedor en el caso de las electroerosionadoras, etc.

Ac

Las matrices para troqueles pequeños y láminas delgadas (hasta 0.75 mm de espesor) se pueden sujetar por la simple presión de las tapas laterales del portamatrices, para troqueles más grandes se pueden utilizar candados para garantizar la sujeción de la matriz.

D av id

Estas indicaciones también se aplican para la sujeción de los portapunzones y los

punzones. El acero para herramientas más apropiado para la fabricación de punzones y matrices es el AISI D-2.

Portamatrices. Como su nombre lo indica, aloja y sujeta las matrices; se debe cuidar que

se maquinen barrenos alineados con la silueta de la matriz y de mayor diámetro que esta pieza, para permitir la salida o escape del material troquelado. Es necesario recurrir a este

g

elemento por los siguientes motivos:

In

a) Necesidad económica de reducir el empleo de aceros especiales; b) Comodidad de regular la alineación; c) Facilidad de cambiar sólo la matriz.

364

Procesos de Manufactura II La principal característica que debe tener un portamatrices, es poseer los medios adecuados para fijar la matriz y asegurar la base sobre la mesa del troquel.

na

A continuación se presentan algunas recomendaciones de fijación de matrices en el

portamatrices. La Fig. 8.21 muestra un portamatriz normal de base cilíndrica, con dos

D av id

Ac

os

ta

H

or

ranuras para la fijación en la mesa y de tres tornillos laterales para fijar la matriz.

Figura Nº 8.21

la Fig. 8.21 muestra otro tipo de portamatriz de base rectangular con asiento cilíndrico, provista de cuatro tornillos en la base para fijar la matriz, y de dos ranuras en la base para

In

g

fijarlo a la mesa.

365

os

Figura Nº 8.22

ta

H

or

na


La Fig. 8.22a representa un tipo de portamatriz con superficie de fijación cónica. Se compone de una base cilíndrica con la superficie estriada y en la cual se asienta un

In

g

D av id

Ac

casquillo de fijación. Este tipo de portamatriz se emplea para dimensiones pequeñas.

Figura Nº 8.23

366

Procesos de Manufactura II Para mayores dimensiones, se emplea el tipo mostrado en la Fig. con la

diferencia que

el casquillo se fija mediante cuatro o seis tornillos.

na

En el caso de que se presenten punzonados de dos o más agujeros con sección diferente a la redonda, resulta conveniente una construcción como las indicadas

or

en las siguientes figuras.

La Fig. 8.248a representa un tipo de portamatriz de fijación por tornillos y a cola

H

de milano, en este caso la matriz seccionado se fija mediante tornillos, mientras que en el caso "b" la matriz entra a presión en la guía de la cola de milano.

ta

La Fig. 8.24 muestra otro tipo de portamatriz, donde la sujeción de la matriz

os

seccionado se hace por medio de candados y tapas laterales.

Base del troquel o zapata inferior. Tiene como función fijar la placa matriz a la

Ac

mesa de la prensa, además de protegerla de flexiones durante la operación. La base puede diseñarse para usarse en un sólo troquel o bien, normalizar el tamaño para que pueda usarse en troqueles distintos. El primer caso se presenta cuando su empleo es continuo, y las matrices son grandes, el segundo caso es

D av id

recomendable para troqueles que permanecen largos intervalos de tiempo sin usarse y que tienen dimensiones pequeñas.

Las zapatas superior e inferior, los bujes y las columnas guía, son elementos de

línea que se pueden adquirir de varios fabricantes. En el ejemplo de este

In

g

capítulo, se muestra una tabla para seleccionarlos.

367

In

g

D av id

Figura Nº 8.24

Ac

os

ta

H

or

na


Figura Nº 8.25

368


In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na

EJEMPLO SOBRE TROQUELADO

Definición del problema Una empresa troquela la pieza del Dibujo, utilizada en un herraje de gancho para pantalón, debido a su posición en el conjunto recibe el nombre de contra de la

369


hembra. El problema planteado al Departamento de Diseño de Herramental es el siguiente: La empresa-tiene problemas para contar con un stock o reserva de

na

fleje laminado del acero con que se troquela el producto, ya que al ser de un ancho tan reducido ocasiona que los proveedores tengan dificultades con la

operación de sus slitters (discos de rodillos para cortar el fleje a una medida

or

determinada, , además, después del corte con slitter, el fleje presenta un camber

o curvatura excesiva, lo que ocasiona fricciones elevadas en las guías del

H

alimentador y del troquel, con la consecuente pérdida de paso del primero (la pérdida de paso se presenta cuando el alimentador no logra hacer avanzar al

D av id

Ac

os

ta

fleje una distancia constante). La Fig. 8.26 muestra la tira progresiva actual.

In

g

Figura Nº 8.26

370

Figura Nº 8.27

os

ta

H

or

na


Ac

Las operaciones involucradas son de punzonado, recortado y doblado, según se

In

g

D av id

definieron en este capítulo.

Figura Nº 8.28

371


La solución planteada por el Departamento de Diseño de Herramental, consiste en cambiar la disposición de la pieza en el lay-out o tira progresiva; en las Figs.

na

se muestran dos alternativas, la primera tiene la desventaja de que el tercer corte es más complicado de obtener que el de la segunda opción; porque en la primera opción se requiere un punzón adicional, asimismo, éste tendría un alto riesgo de

or

ruptura debido a sus pequeñas dimensiones y podría generar rebabas en el

canto cortado. Por otra parte, el segundo y tercer corte de la primera opción

H

ocasionarían mayor desperdicio de material y punzones y matrices más

D av id

Ac

os

ta

costosos. De lo anterior, se concluye que la segunda opción es la recomendable.

In

g

Figura Nº 8.29

372

Ac

os

ta

H

or

na


Figura Nº 8.30

D av id

Al aumentar el ancho del fleje disminuye el camber del material y los problemas del proveedor para cortarlo. Esto último, debido a la mayor rigidez de una tira más ancha, pues cede menos al efecto de los rodillos de curvar la tira durante el corte.

La solución fue confirmada por el proveedor del material, quien además

mencionó que no tenía inconveniente en cortar el fleje a la nueva medida, a

g

pesar de que, al igual que la medida anterior, no es un ancho comercial.

In

Cabe mencionar que en el caso del espesor del fleje es mucho más difícil

obtenerlo en una medida especial (no comercial), ya que esto depende del proceso de laminación en las siderúrgicas.

373


La Tabla 6.9.1. muestra los espesores o calibres de lámina blanca industrial y

D av id

Ac

os

ta

H

or

na

lámina negra, según la norma ASTM-A-568-72.

Durante el proceso de laminación, las fibras del material se orientan en la dirección

longitudinal de la lámina, siendo esta dirección la más resistente a los esfuerzos de

g

tensión, esto puede ser una consideración importante cuando se trate de troquelar

In

piezas que estarán sometidas a esfuerzos de tensión o corte.

374

Ac

os

ta

H

or

na


D av id

Figura Nº 8.31

Cálculo de la capacidad necesaria de la prensa Las máquinas que con mayor frecuencia se sobrecargan durante su operación son

las prensas troqueladoras. Por esta razón, el Departamento de Diseño de Herramental piensa que es importante verificar que la prensa a emplear sea de la capacidad adecuada.

In

g

Fuerza de corte Observando el lay-out de la tira progresiva y el dibujo del producto, se tiene lo

siguiente: Perímetro de corte =(1.4) (4) + (2.41) (2) + (1.67) (4)=12=29.1 mm

375

Procesos de Manufactura II Espesor de la lámina = .683 mm (espesor máximo para una lámina calibre 24, (Tabla 6.9.1)

na

Esfuerzo de corte s = 40 kg/mm2 Este último dato fue obtenido de la Tabla 6.2.2, sabiendo que se trata de un acero

or

duro, con 0.2% de contenido de carbono. La fuerza de corte está dada por:

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

F1 = (29.1 mm) (.683 mm) 40 kg/mm2) = 795.01 kg

376

Procesos de Manufactura II Fuerza requerida para el doblado

os

ta

H

Para este ejemplo las literales asumen los siguientes valores:

or

na

La expresión dada en la Sec. 6.3. fue:

Ac

Sustituyendo estos valores se tiene:

Fd = 2 (14 m m) (.683 mm2 (3) (50 kg/mm2) / 3 (4.14 mm) Fd= 230.97 kg

D av id

Por lo general, se debe adicionar a esta fuerza de doblado las fuerzas requeridas para sujetar (prensachapas) o botar (resortes) la pieza del troquel. Como se verá más adelante en este ejemplo, será necesario extraer la pieza por medios mecánicos y neumáticos, aunque la fuerza necesaria para contrarrestarlos durante el doblado, será pequeña y se considerará incluida dentro del factor de seguridad. La fuerza total, para las operaciones de troquelado y doblado, está dada por: Ft = Fc + Fd = 795.01 + 230.97

In

g

Ft = 1025.98 kg

Recordando el factor de seguridad, mencionado en la Sec. 6.2, se tiene: Capacidad necesaria = Ft8 = 1025.98/.8 = 1282.48 kg de la prensa. Sería suficiente con una prensa de 1.5 ton, pero como la empresa cuenta ya con

377

Procesos de Manufactura II una prensa de 2 ton, utilizar esta última redundará en una mayor duración del

na

equipo.

or

Área de trabajo en la mesa de la prensa

Este parámetro es importante, ya que limitará el tamaño de las zapatas del troquel. La Fig.8.32, muestra un lay-out disponible para colocar el troquel.

Figura Nº 8.32

In

g

D av id

Ac

os

ta

± 10 mm). que limitará a su vez la altura del troquel.

H

Otro parámetro verificado fue la separación entre la mesa y el carro de la prensa (127

378

Primera aproximación para delinear la configuración del troquel.

or

Las primeras interrogantes planteadas fueron:

na


Forma y sujeción de los punzones, ya que debido a las dimensiones tan

H

pequeñas, pueden sufrir roturas frecuentes. Expulsión de la pieza del troquel. roturas de los punzones y matrices.

ta

Una falla en esta operación puede ocasionar atascamientos de material y

os

Recuperación elástica del material después del doblado.

Aunque se espera que este problema sea mínimo, porque el doblez es sencillo complicación.

Ac

y con una profundidad igual al espesor de la pieza, se tratará de prever alguna Colocación de distanciadores para evitar roturas en la matriz y en el punzón de doblado al proporcionar erróneamente a la prensa una carrera demasiado larga.

D av id

Con respecto a la primera interrogante, las Figs. muestran algunos bocetos que

In

g

serán brevemente comentados.

379

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


Figura Nº 8.33

380

Ac

Figura Nº 8.34

os

ta

H

or

na


Boceto A. Se muestra la sufridera y dos punzones. Debido a la similitud de los

D av id

cortes, se aplicará la misma sujeción para los punzones del lo. y 4o. pasos. La única desventaja de este boceto es la necesidad de efectuar varias operaciones de maquinado para obtener los punzones. Boceto B. Es un punzón con buena rigidez,. aunque su fabricación (maquinado)

resultaría costosa. Otra desventaja es que el punzón podría girar sobre su eje haría necesario restringir este giro, además, requiere centrar la esquina de corte. Boceto C. Punzón de fabricación costosa, aunque se solucionaría el problema del

In

g

giro y podrían utilizarse las 4 esquinas. Boceto D. De fabricación más barata: se debe tener en cuenta que se fabricarán 20

o 30 punzones a la vez para contar con suficientes refacciones para un mes, por ejemplo, una desventaja de este boceto es la zona débil que se forma al maquinar la ranura para el candado. Este último, consiste en un pequeño cubo de metal que se 381

Procesos de Manufactura II inserta en el punzón y en el portapunzón para evitar desplazamientos axiales del primero con respecto al portaherramienta. Boceto E. (Fig. 6.9.11) Los punzones son más fáciles de maquinar que en los casos

na

anteriores, su colocación simétrica y su sujeción quedan garantizadas por las tapas

del portapunzón; cuando se desgasten pueden remaquinarse y ajustarse mediante

or

calzas colocadas entre punzón y sufridera.

Otra característica importante de estos punzones es el hombro, cuya función es

H

penetrar a la matriz antes del corte y evitar la flexión del punzón debido al corte parcial que éste realiza. La literatura recomienda que la altura del hombro sea por lo menos 3 veces el espesor de la lámina que se va a troquelar. La opción de este boceto fue la

ta

seleccionada para los pasos de corte del troquel.

os

Boceto F. Este muestra la primera idea para botar la pieza de la matriz de doblado, debido a la forma del doblez, la pieza tenderá a quedar adherida a la matriz, mediante una corriente de aire se intentará botarla, sin embargo, lo reducido del orificio por

Ac

donde circulará el aire (máximo 3 mm de diámetro), según la Fig. puede ocasionar que se obstruya con el fluido de corte.

Boceto G. Para solucionar el problema recién planteado, se pensó en un botador

D av id

mecánico que actúe junto con el botador neumático. El botador mecánico, en caso de que se obstruyera el orificio del aire, dejará la pieza

al mismo nivel que la tira progresiva, de tal forma que la tira empuje a la pieza recién

In

g

cortada y doblada, expulsándola del área del paso final.

382

Figura Nº 8.35

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


Se debe tener especial cuidado que el botador no sobrepase del plano de la matriz

383

Procesos de Manufactura II para que no impida el avance de la lámina. Con respecto a la recuperación elástica del material, después del doblado, la

na

solución consistiría en dar a la pieza un contraformado. Esta solución sólo se aplicará si se presentan problemas con la recuperación

or

elástica al poner en funcionamiento el troquel.

La disposición y dimensiones de los distanciadores se establecerán una vez que se

H

conozca el área ocupada por las zapatas de¡ troquel; como se mencionó, el objetivo

de estos distanciadores es absorber parte de la energía de impacto para alargar la

ta

vida del troquel.

os

Despiece en isométrico con la configuración general del troquel. Una vez que se han analizado los factores más críticos mencionados en los bocetos anteriores, se puede proceder a efectuar un despiece en isométrico, que hace las

Ac

veces de un anteproyecto del troquel.

Esta proyección antecede al dibujo de conjunto, en este último se consignarán en

D av id

forma exacta las dimensiones y posición de los elementos. Dependiendo de la experiencia del diseñador y de la complejidad de la herramienta,

podrá prescindiese o no de este isométrico de anteproyecto. Con el fin de poder llevar un orden dentro de un archivo e identificarlos fácilmente, se

asignó un número progresivo a cada elemento, como se observa en la Fig., éste ayudará también cuando se efectúe la relación de materiales y componentes del

In

g

troquel.

384

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


In

g

Figura Nº 8.36

385


Dibujo de conjunto del troquel

na

Antes de efectuar este dibujo, se debe base a los productos comerciales de línea.

El lay-out de la tira progresiva muestra las dimensiones del área básica necesaria,

or

nótese que esta área no incluye las dimensiones totales de las matrices, punzones sufridera, portamatrices y tapas laterales, sólo sirve para tener una idea del área

H

necesaria para los portatroqueles.

En base al largo (40 mm) y al ancho ( 20 mm) de la tira progresiva se selecciona en las tablas del fabricante (Figs. 6.9.15 y 16) un portatroquel modelo 2-01 A de 108 mm

ta

de frente, 89 mm de fondo y 127 mm de alto, con un espesor de 25 mm para las zapatas y columnas de 22 mm de diámetro nótese también que se verificó el acomodo

os

del troquel en la mesa de la prensa y que el área requerida para la expulsión de los recortes cayera dentro de la ranura maquinada en la mesa de la prensa, según se

Ac

puede observar en la Fig.

La sujeción de la zapata inferior se puede realizar mediante tornillos o clamps, aunque se escoge lo segundo para aprovechar los barrenos que ya han sido taladrados en la

D av id

mesa de la prensa; la forma de los clamps (sujetadores) puede ser similar a la que se muestra en la Fig..

La zapata superior se sujetará mediante una espiga, en base a las dimensiones que

tiene de fábrica el carro de la prensa y que se muestran en el Dibujo, esta espiga también la puede proporcionar el fabricante del portatroquel. Una vez analizado lo anterior, se procedió a realizar el Dibujo, que muestra el conjunto

g

del troquel y aunque puede sufrir cambios o mejoras, cuando se pruebe el troquel o al

In

realizar los dibujos de cada pieza, representa el diseño formal del mismo.

386

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


387

Procesos de Manufactura II Realización de dibujos para fabricación En base al dibujo de conjunto del troquel (Dibujo), se procedió a realizar los dibujos detallados para la fabricación del mismo. Estos dibujos se muestran y comentan

na

enseguida.

Nótese que para sujetar el portamatrices se emplearán dos tornillos Allen y que existen 2 barrenos para pernos de guía (ver Apéndice sobre el dibujo); el barreno

or

central, mostrado en el corte B-B', sirve para alojar al sistema botador mecánico.

H

La tapa lateral derecha (9), tiene mayor altura que e . 1 portamatrices (corte A-A') para evitar que el punzón de doblado y corte final se flexione al actuar; la ranura de esta tapa

ta

(corte C-C') es para permitir la salida de la pieza troquelada; el acero empleado es para

In

g

D av id

Ac

os

usos generales y de alta resistencia (AISI 0-1).

388

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


389

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


390

Procesos de Manufactura II Dibujo Esta tapa guía conduce a la lámina durante su paso por el troquel, nótese que es un poco más ancha la guía (.2 mm) para evitar demasiada fricción con la lámina durante su paso. Los orificios para el paso de los punzones deberán ser erosionados

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na

para poder hacer la tapa de una sola pieza.

391

Procesos de Manufactura II La ranura que se muestra en la vista superior, permite el paso del punzón de doblado y corte final. Se fabricará de un acero de alta resistencia al desgaste (AISI D-2) debido

na

al paso del material por la guía. Dibujo. Nótese en el corte B-B', que no se dio ángulo de salida en las paredes exteriores de los orificios, porque en esa zona no se realiza ningún corte y como se

or

recordará ahí es donde se desea que se recarguen los hombros de los punzones para

H

evitar la flexión de estos últimos.

Las dimensiones de las zonas de corte de las matrices ya incluyen la tolerancia de corte u holgura, que según la Tabla 6.2.1, es de .05 mm en total (.025 por lado). Se

In

g

D av id

Ac

os

ta

fabricarán de un acero con alta resistencia al desgaste y elevada tenacidad (AISI D-2).

392

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


393

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


394

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


395

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


396

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


397

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


398


Dibujo.Nótese los radios en las esquinas para evitar concentraciones de esfuerzos durante el temple. Se aprecia claramente la configuración de los hombros. Se

na

fabricarán de un acero con elevada dureza roja (cualidad de conservar los filos) y tenacidad regular (AISI M-2), con el fin de que no sean necesarios cambios continuos

H

AISI-D-2, el cual es recomendable para punzones y matrices.

or

de estos punzones. Si hubiera problemas por la falta de tenacidad, se usaría un acero

Dibujo. Las dimensiones de los portatroqueles se tomaron de las tablas del fabricante.

ta

Los casquillos y columnas vendrán integrados de fábrica, es importante cuidar que los

In

g

D av id

Ac

os

barrenos se efectúen con exactitud para evitar desalineamientos.

399

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


400

In

g

D av id

Ac

os

Figura Nº 8.36

ta

H

or

na


Figs. 8.36

Figura Nº 8.37 y 8.37 Muestran las dimensiones y localización de los distanciadores;

nótese la sujeción desde la base del troquel para que el cuerpo del distanciador absorba los impactos. 401

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


La Tabla 6.9.2 muestra la relación de material, cuyas funciones principales son: Localizar rápidamente, en combinación con el dibujo de conjunto, el dibujo de cualquier pieza del troquel. 402

Procesos de Manufactura II Comprar y habilitar los materiales antes de que se empiece a fabricar el troquel. Facilitar la identificación de piezas en combinación con el Dibujo de conjunto o con el despiece en isométrico. Al observar la pieza y el número de posición asignado, se

na

puede obtener de la relación de componentes la siguiente información:El número de

piezas que emplea la herramienta, denominación, material del que sonfabricadas, dimensiones de su envolvente, observaciones como dureza mediante temple y el

or

número del plano donde está el dibujo en proyección ortogonal o montea.El número de producto define la pieza y le asigna una posición en el archivo de planos.

H

Cabe mencionar que una herramienta (molde, troquel, etc.) tiene cierta similitud con un traje a la medida, ya que hay ciertas normas para hacerlo y configuraciones

ta

generales de él, sin embargo, el tipo, dimensiones y forma definitiva, dependerá de cada persona; en el caso de la herramienta, estará en función de la aplicación

In

g

D av id

Ac

os

específica.

403

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


404

In

g

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


405


REPUJADO DE PIEZAS DE METAL - SPINING

na

8.6

El repujado es un proceso de formado de metal en el cual se da forma a una parte

or

de simetría axial sobre un mandril u horma mediante una herramienta redondeada o

rodillo. La herramienta o el rodillo aplican una presión muy localizada (en casi un punto

H

de contacto) para deformar el material de trabajo por medio de movimientos axiales o radiales sobre la superficie de la parte. Las formas geométricas típicas que se producen por repujado incluyen conos, hemisferios tubos y cilindros. Hay tres tipos de

ta

operaciones de repujado: 1) repujado convencional, 2) repujado cortante y 3) repujado

os

de tubos.

Repujado convencional El repujado convencional es la operación de repujado

Ac

básico. Como se ilustra en la figura 3.101, un disco de lámina se sostiene en el extremo de un mandril rotatorio que tiene la forma interior deseada para la parte final, mientras la herramienta o rodillo deforma el metal contra el mandril. En algunos casos la forma inicial puede ser diferente a la de un disco plano. Como se indica en la figura, el

D av id

proceso requiere una serie de pasos para completar el formado de la parte. La posición de la herramienta la puede controlar un operador usando un punto de apoyo fijo para el apalancamiento necesario, o un método automático como control numérico. Estas alternativas son repujado manual y repujado mecanizado. El repujado mecanizado tiene la capacidad de aplicar fuerzas más altas a la operación, lo cual representa ciclos más rápidos y mayor capacidad en cuanto al tamaño del trabajo. También se logra un mejor

In

g

control del proceso que en el repujado manual.

406

D av id

Figura Nº 8.39

Ac

os

ta

H

or

na


El repujado convencional dobla el metal alrededor de un eje circular en

movimiento para conformar el metal de acuerdo a la superficie externa de un mandril de simetría axial. El espesor del metal permanece sin cambio (más o menos) respecto al espesor de la forma inicial. El diámetro de la forma debe ser algo más grande que el diámetro de la parte resultante. El diámetro inicial requerido se puede estimar asumiendo volúmenes constantes, antes y después del repujado.

g

La aplicación del repujado convencional incluye la producción de formas cónicas y

In

curvas en bajas cantidades. Por este proceso se pueden hacer partes con diámetros muy grandes (hasta 5 m o más). Los métodos alternativos de formado de lámina podrían requerir altos costos en los dados. La horma de repujado se puede hacer de madera u otro material suave fácil de formar. Por tanto es una herramienta de bajo costo comparada con el punzón y dado requeridos para embutido profundo, que podría 407

Procesos de Manufactura II ser un proceso sustituto para algunas partes.

Repujado cortante En el repujado cortante se forma la parte sobre el mandril por

na

medio de un proceso de deformación cortante en el cual el diámetro exterior permanece

constante y el espesor de la pared se reduce, como se muestra en la figura 3.40. Esta

or

deformación cortante y el consiguiente adelgazamiento del metal distinguen este

proceso de la acción de doblado en el repujado convencional. Se han usado otros nombres para el repujado cortante, como torneado de flujo, formado por corte y forjado

D av id

Ac

os

ta

grandes como los conos para la nariz de los cohetes

H

rotatorio. El proceso se, ha aplicado en la industria aeroespacial para formar partes

Figura Nº 8.40

Para una forma cónica simple, el espesor resultante de la pared rechazada puede

determinarse fácilmente a través de la relación de la ley de los senos:

g

Donde

In

tf = espesor final de la pared después de rechazada, (mm); t = espesor inicial de la forma, (mm); α = ángulo del mandril (en realidad medio ángulo). El adelgazamiento se cuantifica 408


na

algunas veces por la reducción del repujado r:

Existen límites a la cantidad de adelgazamiento que puede soportar el metal en una operación de repujado con esfuerzo cortante antes de que ocurra la fractura. Esta

or

reducción máxima se correlaciona bien con la reducción de área en el ensayo de

H

tensión [6].

Repujado de tubos El repujado de tubos se usa para reducir el espesor de las

ta

paredes y aumentar la longitud de un tubo mediante la aplicación de un rodillo al material de trabajo sobre un mandril cilíndrico, como se muestra en la figura 8.41. El

os

repujado de tubos es similar al repujado con deformación cortante salvo que la pieza inicial es un tubo en lugar de una forma plana. La operación se puede realizar aplicando el rodillo externamente contra el trabajo (usando un mandril cilíndrico en el interior del

Ac

tubo) o internamente (usando un dado alrededor del tubo). También es posible formar perfiles en las paredes del cilindro, como se muestra en la figura (c), controlando el recorrido del rodillo al moverse tangencialmente a lo largo de la pared. La reducción por repujado de tubos, la cual produce una pared de espesor

In

g

D av id

uniforme, se puede determinar como en el repujado cortante por la ecuación.

Figura Nº 8.41

409


PIEZAS ESTAMPADAS POR ROTACION

El estampado por rotación es un proceso aplicable a piezas cilíndricas hechas a

na

partir de barras, tubos y alambres. El proceso altera el diámetro o la forma de estos

materiales por medio de un gran número de impactos controlados, aplicados

or

radialmente por uno o más pares de matrices opuestas (dados). Las matrices están

Figura Nº 8.42

Ac

os

ta

H

formadas para dar a la pieza la forma requerida.

En la máquina estampadora rotatoria común, mostrada esquemáticamente en la

D av id

figura 3.104, el husillo gira para alejar las matrices y martillos de la pieza de trabajo y los coloca contra una caja con rodillos que rodea al husillo. Cada vez que se llevan los martillos directamente contra los rodillos, son empujados hacia adentro. Este paso fuerza las secciones de la matriz a cerrar y golpear la pieza de trabajo. Cuando los martillos se retiran de los rodillos, la matriz seccionada se abre y queda lista para el siguiente formado. La mayoría de las máquinas dan hasta 1000 golpes por minuto. Una variación del proceso con la máquina rotatoria para estampado es el

g

"estampado en matriz estacionaria". En este proceso, el husillo permanece estacionario y la caja de rodillos gira. La ventaja del proceso de matriz estacionaria es que permite

In

producir perfiles de sección no redondas. Algunas estampadoras están equipadas con miembros en forma de cuña

colocados entre el martillo y los dados matrices. Cuando estas cuñas se retraen, hay una mayor abertura para extraer la pieza de trabajo. Por esta razón, es posible realizar reducciones de diámetro en diferentes posiciones entre los extremos de la pieza de 410

Procesos de Manufactura II trabajo, las cuales aun así pueden extraerse de la máquina. La figura

ta

H

or

na

3.105 ilustra la operación de esta máquina, llamada "estampadora con matriz de cierre".

os

Figura Nº 8.43

Ac

Debido a la resistencia a la entrada de la pieza de trabajo en la matriz (debido a la conicidad de la abertura de ésta), en algunos trabajos es necesario tener, para la pieza de trabajo, un alimentador mecánico o una alimentación con ayuda mecánica. Este puede consistir en una cremallera y piñón un alimentador de rodillos o un sistema

D av id

hidráulico.

A menudo se emplean mandriles para soportar los tubos durante el estampando,

en especial si el tubo es de pared delgada. El "estampado plano" es una operación en prensa punzonadora o recalcadora, el

cual nada más se relaciona con el estampado rotatorio por el nombre. Incluye la reducción del espesor de toda o una porción de la pieza de trabajo hecha de placa

In

g

metálica.

Piezas típicas y sus aplicaciones El estampado rotatorio es, invariablemente,

para piezas de trabajo con forma tubular o de barra. `La operación de estampado rotatorio reduce el diámetro exterior del material de trabajo y puede cambiar la forma exterior (o la forma interior en el caso de los tubos). El límite de tamaño de piezas procesables por el estampado rotatorio abarca 411

Procesos de Manufactura II desde el diámetro mínimo posible de cerca de 0.5 mm hasta un tamaño normal para tubos de 150 mm. El máximo diámetro posible está en función del tamaño de la máquina estampadora y en teoría, no tiene límite si se construyera una máquina lo

na

suficientemente grande. Se han construido máquinas para manejar tubos de 350 mm

de diámetro; pero para el estampado de piezas sólidas, las necesidades de tonelaje limitan el diámetro máximo de las piezas que pueden estamparse a tamaños muchos

or

menores.

Para el estampado de tubos muy pequeños sobre un mandril, se emplea un

H

alambre flexible como mandril. Se ha usado alambre para piano de sólo 0.08 mm de diámetro.

El herramental para alimentación longitudinal permite procesar piezas de trabajo

ta

indefinidamente largas. El estampado rotatorio reduce el diámetro de grandes

os

longitudes de tubo o alambre, recto o enrollado.

Las siguientes piezas han sido producidas, cuando menos en parte, por medio del estampado rotatorio: (1) Extremos aguzados de tubos y barras, preparados para el

Ac

estirado en frío. (2) Tubos y barras cónicas para artículos como patas de muebles, palos de golf y varillas terminadas. (3) Reducción del diámetro de un tubo, barra o alambre en toda su longitud. (4) Pernos, punzones, agujas (incluyendo agujas para

D av id

máquina de coser y ganchos para tejer), rayos de bicicleta, broches y herramientas dentales, así como otras piezas con conicidad o cambios en diámetro. (5) Piezas automotrices como tubos, barras de unión y tubos de escape. (6) Hojas para desarmadores convencionales y de cruz, puntas de cautines para soldar, extremos cuadrados en barras redondas y otras formas de sección irregular hechas en máquinas de matriz estacionaria. (7) Partes tubulares de sección irregular hechas a partir del estampado de tubos en mandriles formados. Ejemplos de esto son las llaves de caja

g

(dados), cañones para rifle, reglas flexibles, etc. (8) Ensamble de conexiones para cables, alambres y mangueras. (9) Piezas con reducciones en el diámetro entre

In

hombros. Un ejemplo son los tubos flexibles enrollados. Una aplicación adicional es la reducción del diámetro o la pared de artículos

demasiado frágiles para procesar por otros métodos, como el estirado en frío. Un ejemplo es la reducción de la dimensión del alambre de soldadura suave, otro es el 412

Procesos de Manufactura II calibrado final de los envases de pared delgada para lápices de labios.

Recomendaciones de diseño Hay límites para el ángulo de ahusamiento que se

na

puede obtener con el estampado. Con piezas de trabajo alimentadas manualmente, el

máximo ángulo alcanzable está entre 6º y 8º. Los ángulos mayores traen como

or

consecuencia graves problemas en la alimentación. Con alimentación mecanizada,

pueden obtenerse pendientes con ángulos hasta 14º. Es viable estampar pequeños componentes tubulares de metales suaves como el cobre con ángulos totales de hasta

H

30º. Para facilidad de fabricación, el ángulo de ahusamiento debe especificarse para que sea lo menor posible..

ta

Con las máquinas estampadoras convencionales no es posible tener hombros con mayor conicidad que el ángulo permitido por la pieza de trabajo y el montaje. Esto se

os

debe a que cualquier porción de la pieza con diámetro reducido nada más se produce si se alimenta axialmente la pieza a las matrices cónicas. Con máquinas con matrices de

Ac

cierre, la matriz puede alimentarse radialmente contra el flujo del material de trabajo y, por lo tanto, producir hombros mucho más cercanos a la perpendicular. Al permitir que el metal fluya y la matriz se separe, no es factible una pared perfectamente perpendicular por lo que el hombro deberá tener una pendiente de 15º en relación con

In

g

D av id

la perpendicular.

413

na


Figura Nº 8.45

Ac

os

ta

H

or

Figura Nº 8.44

D av id

Cuando se estampa tubo sin mandril, la pared engruesa en proporción a la cantidad de reducción del diámetro y las especificaciones de diseño deben tener en cuenta esto. Por ejemplo, un tubo de 50 mm de diámetro y 1 -3 mm de espesor de pared estampado a 25 mm de diámetro, tendrá un incremento en el espesor de pared a 2.5 mm. También hay algún alargamiento del material, aun cuando esto no es proporcional (a menos que se use un mandril). Por lo general se prefiere, a fin de tener menores costos por unidad y herramental,

g

estampar tubos sin mandril. Sin embargo, esta práctica generalmente se encuentra limitada a tubos gruesos cuyo diámetro no es mayor a 25 veces el espesor de pared.

In

Este límite es necesario para evitar arrugamiento del material, aunque con muy bajas velocidades de alimentación y ángulos de 6º se han estampado tubos con diámetro hasta 70 veces el espesor de pared sin usar mandril. Es mejor limitar la longitud de las secciones cónicas al máximo que puede estamparse en un paso con la máquina disponible. Es posible, por medio de 414

Procesos de Manufactura II operaciones sucesivas, estampar un ahusamiento continuo de cualquier longitud. Sin embargo, las áreas donde se sobreponen pasadas sucesivas están sujetas a tener algunas marcas sin importar cuán cuidadosamente sean hechas las matrices de

H

or

trabajan conicidades de 375 mm en tubos de hasta 56 mm de diámetro.

na

estampado. Las máquinas disponibles en el mercado para ahusamientos largos

ta

Figura Nº 8.46

Cuando se va a intentar estampar una pieza con hombro, se debe dejar, como

os

tolerancia para la matriz, 6 mm entre el hombro y el comienzo de la sección cónica. Las ranuras internas y cualquier otra forma interna irregular, requieren conicidades muy ligeras para facilitar la remoción del mandril de la pieza estampada. Las tolerancias

Ac

en el diámetro interior también deben permitir la salida del mandril. Una conicidad común es de 0.1 mm/m longitud.

Cuando se usan máquinas estampadoras con matrices de cierre, la máxima

D av id

reducción de área posible en cada paso es del 25% debido a la configuración de la matriz y de la cuña. Con reducciones centrales, esta es la máxima reducción que puede lograrse sin importar el número de pasos; de otra manera, no podría removerse la pieza de la matriz.

In

g

Figura Nº 8.47

Cuando se estampa con mandriles perfilados, el máximo ángulo especial para

acanalados o ranuras ubicadas sobre el eje longitudinal es de 30º.

415


PIESAS ELECTROFORMADAS

El electroformado es la producción de artículos por electrodeposición (sección 3.3.81). El electroformado implica la deposición electrolítica de metal en un patrón

na

hasta obtener el grosor requerido, después se remueve el patrón para dejar la parte

formada. Mientras que el grosor de una deposición común es de sólo aproximadamente 0.05 mm o menos, con frecuencia, las partes electroformadas son mucho más gruesas,

or

por lo que el ciclo de producción es proporcionalmente más largo,

Los modelos usados en el electroformado son: 1) sólidos o 2) desechables. Los

H

patrones sólidos tienen un ahusamiento u otra geometría que permite la remoción de la parte electrodepositada. Los modelos desechables se destruyen durante la remoción

ta

de la parte, y se usan cuando la forma de la parte imposibilita un patrón sólido. Los modelos desechables son fusibles o solubles. Los de tipo fusible están hechos de

os

aleaciones de baja fusión, plásticos, cera u otro material que puede removerse por fusión. Cuando se usan materiales no conductivos, el patrón o modelo debe metalizarse para aceptar el recubrimiento electrodepositado. Los de tipo soluble están

Ac

hechos de un material que puede disolverse con facilidad mediante productos químicos por ejemplo, el aluminio se disuelve en hidróxido de sodio. Por lo general, las partes electroformadas se fabrican de aleaciones de cobre, níquel y níquelcobalto. Las aplicaciones incluyen moldes y dados finos; entre los

D av id

ejemplos están los moldes para lentes, los discos, fonográficos y las placas para estampar e imprimir. Una aplicación reciente con mucha demanda implica la producción de moldes para discos compactos de lectura mediante láser y discos de video. Los detalles de la superficie que deben imprimirse en un disco compacto se miden en micrones. Estos detalles se obtienen con facilidad en el moldeado mediante

g

electroformado.

In

Electrodeposición

La electrodeposición, también conocida como recubrimiento electroquímico, es un

proceso electrolítico en el cual se depositan iones metálicos en una solución electrolítica dentro de una parte de trabajo que funciona como cátodo. La disposición se muestra en la figura 3.110. El ánodo está hecho generalmente del metal que se 416

Procesos de Manufactura II recubre y, por tanto, funciona como fuente del metal recubierto. Se pasa corriente directa de un transformador de corriente externo entre el ánodo y el cátodo. El electrolito es una solución acuosa de ácidos, bases o sales que conduce corriente eléctrica mediante el movimiento de iones metálicos del recubrimiento en solución.

na

Para resultados óptimos, las partes deben pasar por una limpieza química justo antes

ta

H

or

de la electrodeposición.

os

Figura Nº 8.48

Principios de la electrodeposición El recubrimiento electroquímico se basa en

Ac

dos leyes físicas de Faraday. En resumen y para nuestros propósitos, las leyes plantean que: 1) la masa de una sustancia liberada en electrólisis es proporcional a la cantidad de electricidad que pasa por la celda, y 2) la masa del material liberado es proporcional a su equivalente electroquímico (la razón de peso atómico a valencia). El

D av id

efecto se resume en la ecuación:

g

Para la mayoría de los metales chapeados, no toda la energía eléctrica del

In

proceso se usa para deposición; una parte se consume en otras reacciones, tal como la liberación de hidrógeno en el cátodo. Esto reduce la cantidad de metal chapeado. La cantidad real de metal depositado en el cátodo (parte de trabajo) dividida por la cantidad teórica, que proporciona la ecuación, se denomina la eficiencia del cátodo.

Considerando la eficiencia del cátodo, una ecuación más precisa para determinar el volumen de metal chapeado es: 417

D av id

Ac

os

ta

H

or

na


In

g

El grosor de chapeado

EJEMPLO 3.9 Electrodeposición

418

Procesos de Manufactura II 2

Se va a recubrir con níquel una parte de acero cuya área de superficie A = 130 cm . ¿Qué grosor de chapeado promedio se producirá si se aplican 12 A durante 15 minutos en un baño electrolítico con cianuro?

na

Solución: De la TABLA 3.6, la eficiencia de cátodo para el níquel es E = 0.95 y la -5

constante de recubrimiento C = 3.4 2 x10 Usando la ecuación (3.52), la cantidad total

or

de metal chapeado que se deposita en la superficie de la parte en diez minutos se

H

proporciona mediante

2

os

recubrimiento o chapeado promedio es:

ta

Esto se extiende a través de un área A = 130 cm , por lo que el espesor del

Ac

Métodos y aplicaciones Existen diversos equipos para la electrodeposición y su elección depende del tamaño y la, geometría de partes, los requisitos de resultados y el metal para recubrir. Los métodos principales son: 1) deposición en tambor, 2)

D av id

deposición en estantes y 3) deposición en tiras. La deposición en tambor se realiza en

tambores rotatorios orientados en forma horizontal o en un ángulo oblicuo (35º). El método es conveniente para el recubrimiento de muchas partes pequeñas en un lote. El contacto eléctrico se mantiene a través de la acción de frotado de las partes y mediante un conductor conectado externamente que se proyecta dentro del tambor. Existen limitaciones para la deposición en tambor; la acción de frotado inherente al proceso puede provocar daño en las partes de metal suave, en los componentes

g

roscados, en las partes que requieren buenos acabados y en las partes pesadas con

In

bordes afilados. La deposición en estantes se usa para partes que son demasiado grandes,

pesadas o complejas para la deposición en tambores. Los estantes están hechos de alambre de cobre de calibre pesado con formas adecuadas para contener las partes y conducir la corriente a través de ellas. Los estantes se fabrican de modo que las partes de trabajo puedan colgarse en ganchos o sostenerse apretadas o cargadas en

419

Procesos de Manufactura II canastas. Para evitar la deposición del cobre mismo, los estantes se cubren con aislante, excepto en las partes donde existe contacto. El recubrimiento en tiras es un método de alta producción, en el cual el trabajó consiste en una tira continua que se jala a través de la solución para chapeado mediante un riel de alimentación. El alambre

na

recubierto es un ejemplo adecuado de su aplicación. Mediante este método también se recubren partes de, láminas metálicas pequeñas sostenidas en una larga tira, El proceso puede prepararse de modo que sólo se involucren las regiones específicas de

or

las partes; por ejemplo, los puntos de contacto cliapeados con oro en los conectores eléctricos.

H

Los metales para recubrimiento más comunes en la electrodeposición incluyen el zinc, el níquel, el estaño, el cobre y el cromo. El acero es el metal de sustrato más oro también se usa para contactos eléctricos.

ta

común. También se chapean los metales preciosos (oro, plata y platino) en joyería. El Los productos de acero recubiertos con zinc incluyen sujetadores, artículos con

os

alambres, cajas de interruptores eléctricos y diferentes partes de láminas metálicas. El recubrimiento con zinc funciona como una barrera que se sacrifica para evitar la

Ac

corrosión del metal que está debajo. Un proceso alternativo para recubrir acero con zinc es el galvanizado. Se usa el recubrimiento con níquel para resistir la corrosión y con propósitos decorativos sobre acero, bronce, colados en zinc y otros metales. Las aplicaciones incluyen ajuste automotriz y otros bienes de consumo. El níquel también

D av id

se usa como una cubierta base, bajo una lámina de cromo muy delgada. El recubrimiento de estaño se usa ampliamente, el cual protege contra la corrosión a las latas de estaño y otros envases para alimento. También se usa para mejorar la soldabilidad de componentes eléctricos. El cobre tiene varias aplicaciones importantes como metal de recubrimiento. Se

usa ampliamente como recubrimiento decorativo en acero y zinc, ya sea solo o en aleaciones con zinc tal como la deposición de bronce. También tiene aplicaciones

g

importantes en tableros de circuitos impresos. Por último, con frecuencia el cobre se

In

recubre sobre el acero como una base, bajo una cubierta de níquel o cromo. El recubrimiento con cromo (conocido popularmente como "cromado") se valora por su aspecto decorativo y se usa ampliamente en aplicaciones automotrices, de muebles para oficina y de aparatos eléctricos para la cocina. También produce uno de los recubrimientos electrodepositados más duros, y por esta razón se usa ampliamente para partes que requieren resistencia al desgaste, por ejemplo, pistones hidráulicos y 420

Procesos de Manufactura II cilindros, anillos de pistones, componentes de motores de aeronaves, guías roscadas en maquinaria textil y aplicaciones similares. PIEZAS FORMADAS POR OTROS MÉTODOS

na

8.9

Numerosas operaciones con láminas de metal no se realizan en prensas de

troquelado convencional, En esta sección examinaremos varios de estos procesos: 1)

or

formado por restirado, 2) doblado con rodillos y formado, y 3) procesos de formado de alto nivel de energía.

H

Formado por estirado

ta

El formado por estirado es un proceso de deformación de láminas metálicas en el cual la lámina se restira y dobla simultáneamente a fin de lograr un cambio de forma El

os

proceso se ilustra en la figura para un doblado gradual relativamente simple. La parte de trabajo se sujeta por una o más mordazas en cada extremo y luego se restira y dobla sobre un dado positivo que contiene la forma deseada. El metal se somete a

Ac

esfuerzos de tensión a un nivel por encima de su punto de fluencia. Cuando se libera la carga de tensión, el metal ha sido deformado plásticamente. La combinación de restirado y doblado da por resultado una recuperación elástica de la parte relativamente

In

g

D av id

pequeña.

421

ta

H

or

na


Ac

os

Figura Nº 8.49

Una estimación de la fuerza requerida en formado por restirado se puede obtener multiplicando el área de la sección transversal de la lámina en dirección de la tensión

g

D av id

por el esfuerzo de fluencia del metal. En forma de ecuación,

In

La fuerza del dado Fdado, mostrado en la figura, puede determinarse balanceando los componentesverticales de la fuerza. Mediante el formado por restirado se pueden lograr contornos más complejos que

los mostrados en la figura, pero existen limitaciones sobre la forma de las curvas que se pueden hacer en la lámina. Este método de formado se usa extensamente en la

422

Procesos de Manufactura II industrias aérea y aeroespacial para producir económicamente grandes piezas de lámina metálica en bajas cantidades, característica de esas industrias. Doblado y formado con rodillos

na

En las operaciones descritas en esta sección se usan rodillos para formar láminas metálicas. El doblado con rodillos es una operación en la cual generalmente se forman

or

partes grandes de lámina metálica en secciones curvas por medio de rodillos. En la figura 8.50 se muestra un arreglo posible de los rodillos. Cuando la lámina pasa entre

los rodillos, éstos se colocan uno junto al otro en una configuración que forma el radio

H

de curvatura deseado en el material de trabajo. Por este método se fabrican componentes para grandes tanques de almacenamiento y recipientes a presión.

ta

Mediante esta operación también se pueden doblar perfiles estructurales, rieles de

Ac

os

ferrocarril y tubos.

D av id

FIGURA 8.50 Doblado con rodillos.

Una operación relacionada es el enderezado con rodillos en la cual se enderezan

láminas no planas (u otras formas) pasándolas sobre una serie de rodillos. Los rodillos someten al material de trabajo a una serie de aplanados de los pequeños dobleces en direcciones opuestas, esto provoca que el material se enderece a la salida Formado con rodillos El formado con rodillos, también llamado formado con

rodillos de contorno, es un proceso continuo de doblado en el cual se usan rodillos

g

opuestos para producir secciones largas de material formado a partir de cintas o rollos

In

de lámina. Generalmente se requieren varios pares de rodillos para lograr progresivamente el doblado del material en la forma deseada. El proceso se ilustra en la figura 8.51 para una sección en forma de U. Los productos hechos por formado con

rodillos incluyen canales, canaletas, secciones laterales de metal (para casas), duelos, tubos sin costura y varias secciones estructurales. Aunque el formado con rodillos tiene la apariencia general de una operación de laminado (las herramientas son 423

Procesos de Manufactura II verdaderamente similares), la diferencia es que en el formado con rodillos se involucra

D av id

Ac

os

ta

H

or

na

más el doblado que la compresión del trabajo.

In

g

Figura Nº 8.51

Formado por alta velocidad de energía Se han desarrollado varios procesos para el formado de metales usando grandes

cantidades de energía aplicada en tiempos muy cortos. Debido a esta característica se llaman formado por alta velocidad de energía. Éstos incluyen el formado por explosión, formado electrohidráulico y formado electromagnético. 424

Procesos de Manufactura II Formado por explosión El formado por explosión involucra el uso de una carga explosiva para formar una lámina o placa de metal dentro de la cavidad de un dado. Un método de instrumentar el proceso se ilustra en la figura 8.52. La parte de trabajo se fija y se sella sobre el dado, practicando el vacío en la cavidad. El aparato se coloca

na

entonces en un recipiente grande de agua. Se coloca una carga explosiva en el agua a cierta distancia sobre el trabajo. La detonación de la carga produce una onda de choque cuya energía se trasmite a través del agua, causando la deformación. rápida de

or

la parte dentro de la cavidad. El tamaño de la carga explosiva y la distancia a la que debe colocarse sobre la parte es más bien materia de arte y experiencia. El formado

D av id

Ac

os

ta

H

con explosivos se reserva para partes grandes, típicas de la industria aeroespacial.

Figura Nº 8.52

Formado electrohidráulico El formado electrohidráulico es un proceso de alta

energía en el cual se genera una onda de choque para deformar el material de trabajo

g

en la cavidad de un dado a través de una descarga eléctrica entre dos electrodos sumergidos en un fluido de transmisión (agua). Debido al principio de operación, este

In

proceso se llama también formado por descarga eléctrica. La instalación para este

proceso se ilustra en la figura 8.53 La energía eléctrica se acumula en grandes capacitores y luego se transmite a los electrodos. El formado electrohidráulico es similar al formado por explosión. Las diferencias están en la forma de generar la energía y en las menores cantidades de energía que se manejan. Esto limita el

425


H

or

na

formado electrohidráulico a piezas de mucho menor tamaño.

ta

Figura Nº 8.53

Formado electromagnético El formado electromagnético, también llamado

os

formado de pulso magnético, es un proceso en el cual la lámina metálica se deforma por la fuerza mecánica de un campo electromagnético inducido en la parte de trabajo

Ac

por una bobina electrificada. La bobina está electrificada por un capacitor y genera un campo magnético que origina corrientes de eddy en el material de trabajo con su propio campo magnético. El campo inducido se opone al campo primario, produciendo una fuerza mecánica que deforma la parte hacia la cavidad que la rodea. Desarrollado en

D av id

1960, el deformado electromagnético es el proceso de alta energía más extensamente usado en la actualidad [4]. Se usa para formar partes tubulares, como se ilustra en la

In

g

figura.

Figura Nº 8.54

426


na

Problemas

Laminado

or

1. Una placa de 40 mm de grueso se reduce a 30 mm en un paso de laminado. La

velocidad de entrada = 16m/min El radio del rodillo = 300 mm y la velocidad de

H

rotación = 18.5 rev/min Determine a) el coeficiente mínimo requerido de fricción que haría posible esta operación, b) la velocidad de salida bajo la suposición de que la placa se ensancha un 2% durante la operación, y c) el deslizamientos

ta

hacia adelante.

os

2. Una plancha de 5 cm de grueso tiene 25 cm de ancho y 3.7 m de longitud, El espesor se reduce en tres pasos de laminación. Cada paso reduce la plancha un 75% de su grueso anterior, Para este metal y esta reducción se espera un

Ac

ensanchamiento del 3% en cada paso. Sí la velocidad de entrada de la plancha en el primer paso es de 12 m/ min y la velocidad de los rodillos es la misma para los tres pasos, determine a) la longitud y b) la velocidad de salida de la plancha

id

después de la reducción final.

av

3. Se usa tina serie de operaciones de laminado en frío para reducir el espesor de una placa de 50 a 25 mm en un molino reversible de 2 rodillos. El diámetro del rodillo = 700 mm y el coeficiente de fricción entre los rodillos y el material trabajo

D

= 0.15. La especificación es que la diferencia d sea igual en cada paso. Determine a) el número mínimo de pases requerido y b) la diferencia d para

In

g

cada paso.

4. En el problema 3, suponga que está especificada una reducción porcentual igual en cada paso en lugar de d: a) ¿cuál es el número mínimo de pases requerido?, b) ¿cuál es la diferencia para cada paso?. 5. Un molino laminador continuo en caliente tiene dos bastidores. El grueso de la placa inicial = 2.5 cm y el ancho = 30 cm. El espesor final será 1.3 cm y el radio

479

Procesos de Manufactura II de cada bastidor = 25 cm. La velocidad de rotación del primer bastidor = 20 rev/min. En cada bastidor se producirán una diferencia d iguales de 0.6 cm. La placa es lo suficientemente ancha en relación a su espesor para que no ocurra un incremento de la anchura. Bajo la suposición de que el deslizamiento hacia

na

adelante es igual en cada bastidor, determine a) la velocidad vr, en cada bastidor y b) el deslizamiento hacia adelante s, c) determine también la velocidad de salida en cada bastidor de rodillos si la velocidad de entrada al

or

primer bastidor es 25 m/min

H

6. Un molino de laminación en caliente tiene ocho bastidores. Las dimensiones de la plancha inicial son: espesor = 7 cm, ancho = 38 cm y longitud = 25 cm, El espesor final será 0.7 cm, el diámetro del rodillo en cada bastidor = 90 cm y la

ta

velocidad de rotación en el bastidor número 1 = 30 rev/min. Se ha observado que la velocidad de la plancha que entra al bastidor número 1 = 70 m/min.

os

Suponga que no ocurre ensanchamiento de la plancha durante la secuencia de laminado. La reducción porcentual del, espesor es igual en cada bastidor y se

Ac

supone que el deslizamiento hacia adelante será igual en cada bastidor. Determine a) la reducción porcentual en cada bastidor, b) la velocidad de rotación de los rodillos en los bastidores del dos al ocho, y c) el deslizamiento hacia adelante, d) ¿cuál es la diferencia d en los bastidores uno y ocho?, y e)

av

ocho?

id

¿cuál es la longitud y velocidad de salida de la tira final que sale del bastidor

7. Una placa de 25 cm de ancho y 2.5 cm de espesor se reduce en un solo paso en

D

un molino de dos rodillos a un espesor de 2 cm. El rodillo tiene un radio de 50 cm y su velocidad = 15 m/min. El material de trabajo tiene un coeficiente de resistencia = 240 MPa y un exponente de endurecimiento por deformación = 0.2.

In

g

Determine a) la fuerza de laminación, b) el momento de torsión y, c) la potencia requerida para realizar esta operación.

8. Resuelva el problema 7. usando un radio de rodillo = 25 cm. 9. Resuelva el problema 7. suponiendo un molino de rodillos aglomerados cuyos rodillos de trabajo tienen un radio = 5 cm. Compare los resultados con los dos

480

Procesos de Manufactura II problemas anteriores y note el importante efecto del radio de los rodillos sobre la fuerza, el momento de torsión y la potencia.

10. .Una plancha de 7 cm de grueso y 23 cm de ancho se reducirá en un solo paso

na

en un molino de dos rodillos de alto a un espesor de 6 cm. Los rodillos tienen un radio = 38 cm y su velocidad = 9 m/min. El material de trabajo tiene un coeficiente de resistencia igual 175 MPa y un exponente de endurecimiento por

or

deformación = 0.16. Determine a) la fuerza del laminado, b) el momento de

H

torsión y c) la potencia requerida para realizar esta operación.

11. Una operación de laminado de un solo paso reduce una placa de 20 mm de grueso a 18 mm La placa inicial tiene un ancho de 200 mm. El radio del rodillo =

ta

250 mm y la velocidad de rotación = 12 rev/min. El material de trabajo tiene un coeficiente de resistencia = 600 MPa y un exponente de endurecimiento por

os

deformación = 0.22. Determine a) la fuerza de laminación, b) el momento de

Ac

torsión y c) la potencia requerida para esta operación. 12. Un molino de laminación en caliente tiene rodillos cuyo diámetro = 60 cm. Puede ejercer una fuerza máxima = 1780 KN. El molino tiene una potencia máxima = 100 hp. Se desea reducir una placa de 4 cm de grueso a la diferencia d máxima

id

posible en un paso. La placa inicial tiene 25 cm de ancho. El material caliente tiene un coeficiente de resistencia = 138 MPa y un exponente de endurecimiento

av

por deformación = 0 Determine a) el adelgazamiento máximo posible, b) el esfuerzo real asociado y e) la velocidad máxima de los rodillos para esta

D

operación.

13. .Resuelva el problema 12, excepto que la operación es laminado en tibio y el

In

g

exponente de endurecimiento por deformación n = 0.15. Suponga que el coeficiente de resistencia no varía.

14. Una placa de 40 mm de espesor se reduce a 30 mm en un paso de laminado. La velocidad de entrada v0=32 m/min; el radio del rodillo R=300mm y la velocidad de rotación N=20 RPM. Determine: a) el coeficiente mínimo de fricción requerido para que la operación sea posible; b) la velocidad de salida considerando que la

481

Procesos de Manufactura II placa se ensancha un 2% luego de la operación; c) el deslizamiento hacia delante S. 15. Se usa una serie de operaciones de laminado en frío para reducir el espesor de una placa de 50 mm a 25 mm en un molino reversible de dos rodillos. El

na

diámetro del rodillo es de 700 mm y el coeficiente de fricción entre rodillos y

trabajo es μ=0,15. La especificación indica que se debe realizar la operación con igual draft en cada paso de laminación. Determine: a) el número mínimo de

or

pases requerido y b) el draft para cada paso.

16. Una operación de laminado reduce en un solo paso el espesor de una placa

H

desde 20 mm a 18 mm. El ancho inicial de la placa es de 200 mm, el radio del rodillo es R=250 mm y la velocidad de rotación N=12 RPM. El material de trabajo

ta

tiene un coeficiente de resistencia K=600 MPa y un exponente de endurecimiento por deformación n=0,22. Determinar: a) la fuerza de laminación,

In

g

D

av

id

Ac

os

F; b) el momento de torción, T y c) la potencia requerida para esta operación, P.

482

Procesos de Manufactura II Forjado

1. Una parte cilíndrica con D = 65 mm y h = 65 mm es recalcada en un dado abierto a una altura de 38 mm. El coeficiente de fricción en la interfase dado-

na

material de trabajo = 0.10. El material de trabajo tiene una curva de fluencia

definida por K = 276 MPa y n = 0.15. Determine la fuerza instantánea en la

or

operación: a) en el momento en que se alcanza el punto de fluencia (fluencia a la deformación = 0.002), b) sih = 58mm c) si h = 48mm, yd) si h = 38 mm.

H

2. Una parte cilíndrica se recalca en frío en un dado abierto Do = 50 mm, ho = 40 mm y una altura final = 20 mm. El coeficiente de fricción en la interfase dado-

ta

trabajo = 0.20. El material de trabajo tiene una curva de fluencia definida por K = 600 MPa y n = 0.12. Determine la fuerza en la operación: a) cuando se alcanza

os

el punto de fluencia (fluencia a la deformación = 0.002), b) h = 30 mm, c) h= 20mm

Ac

3. Una parte de trabajo tiene un diámetro = 50 mm y una altura = 10 mm. Se recalca a una altura = 64 mm. El coeficiente de fricción en la interfase dadotrabajo = 0.10. El material de trabajo tiene una curva de fluencia con un

id

coeficiente de resistencia = 172 MPa y un exponente de endurecimiento por

av

deformación = 0.22. Construya una gráfica de fuerza contra altura del trabajo, 4. Se ejecuta una operación de encabezamiento en frío para producir la cabeza de un clavo de acero. Elcoeficiente de resistencia del acero es K = 550 MPa y el

D

exponente de endurecimiento por deformación n = 0.24. El coeficiente de fricción en la interfase dado-trabajo = 0.10. El alambre del cual se hace el clavo es de 5

In

g

mm de diámetro. La cabeza tiene un diámetro de 9.5 mm y un espesor de 1.6 mm a) ¿qué longitud de alambre se debe proyectar fuera del dado para proveer el volumen suficiente de material para esta operación de recalcado?, b) calcule la fuerza máxima que debe aplicar el punzón para formar la cabeza en esta operación de dado abierto.

5. Consiga un clavo común grande de cabeza plana, mida el diámetro de la cabeza y su espesor así como el diámetro del rabo del clavo, a) ¿qué longitud de 483

Procesos de Manufactura II material debe proyectarse fuera del dado para proveer el suficiente material para producir el clavo?, b) usando los valores apropiados para el coeficiente de resistencia y el exponente de endurecimiento por deformación del metal con el que se produce el clavo, calcule la fuerza máxima en la operación de

na

encabezado para formar la cabeza.

6. Una operación de recalcado en caliente se ejecuta en un dado abierto. El

or

tamaño inicial de la parte es Do = 25 mm y ho = 50 mm. La parte se recalca a un diámetro = 50 mm. A esta elevada temperatura, el metal de trabajo fluye a 83

H

MPa (n = 0). El coeficiente de fricción en la interfase material trabajo-dado = 0.40. Determine a) la altura final de la parte, b) la fuerza máxima en la operación.

ta

7. Una prensa hidráulica de forja es capaz de ejercer una fuerza máxima = 1 MN. Una parte cilíndrica se recalca en frío. La parte inicial tiene un diámetro = 30 mm

os

y una altura = 30 mm La curva de fluencia del metal se define por K = 400 MPa y n = 0.2. Determine la reducción máxima en altura a la que puede ser comprimida

Ac

la parte con la prensa, si el coeficiente de fricción = 0.1.

8. Se diseña una parte para forjarse en caliente en un dado impresor. El área 2

proyectada de la parte incluyendo la rebaba es 9600 mm . La parte recortada

id

2

tendrá un área proyectada de 6400 mm . La geometría de la parte es

av

relativamente simple. El material fluye a 62 MPa al calentarse y no tiende a endurecerse por deformación. Determine la fuerza máxima requerida pira

D

ejecutar la operación de forjado.

9. Una biela se diseña para forjado en caliente en un dado impresor El área 2

In

g

proyectada de la parte es 6500 mm . El diseño del dado ocasionará la formación

de rebaba durante el forjado, así que el área, incluyendo la rebaba, será de 9000 2

mm . La geometría de la parte es compleja, Al calentarse el material de trabajo fluye a 75 MPa y no tiende a endurecerse por deformación. Determine la fuerza máxima requerida para ejecutar la operación.

484

Procesos de Manufactura II 10. Graficar la fuerza, en función de la reducción de altura, requerida para realizar una operación de forja en dado abierto de un espécimen de sección cilíndrica de cobre de 25 mm de alto por 25 mm de diámetro, hasta una reducción del 75 % para los siguientes casos: a) deformación ideal (sin fricción); b) coeficiente de

na

fricción μ=0,10 y c) coeficiente de fricción μ=0,20. Ignorar el efecto de abarrilamiento.

11. Calcular para cada uno de los caso del problema anterior: a) el trabajo realizado;

or

b) el aumento de temperatura considerando que el proceso es adiabático y que la temperatura es uniforme en todo el espécimen.

H

12. Una parte cilíndrica de dimensione D0=50 mm y h0=40 mm, se recalca en frío en un dado abierto hasta un altura final hf= 20 mm. El coeficiente de fricción en la

ta

interfase dado-trabajo es μ=0,20, el material de trabajo tiene una curva esfuerzo de formación definida por K=600 MPa y n=0,12. Determine la fuerza aplicada

os

cuando: a) cuando se alcanza el punto de fluencia (para una deformación de 0,002); b) cuando h=30 mm y c) cuando h=20 mm.

Ac

13. Se debe realizar una operación de encabezamiento en frío para producir la cabeza de un clavo de acero, el coeficiente de resistencia del material es K=600 MPa y exponente de endurecimiento por deformación n=0,2. El coeficiente de fricción en la interfase dado-trabajo es μ=0,10. El alambre con el cual se hace el

id

clavo es de Do=4,8 mm, la cabeza tiene un diámetro de Df=9,52 mm y un espesor de e=1,6 mm. Calcular: a) longitud del alambre fuera del dado para

av

proveer el volumen de material necesario y b) fuerza máxima que debe aplicar el

In

g

D

punzón para formar la cabeza en operación en dado abierto.

485

Procesos de Manufactura II Extrusión 1. Un tocho cilíndrico de 75 mm de largo con un diámetro = 38 mm se reduce por extrusión indirecta a 9.5 mm de diámetro. El ángulo del dado = 90º. En la

na

ecuación de Johnson a = 0.8 y b = 1.5. En la curva de fluencia para el metal de trabajo, K = 517 MPa y n = 0.25. Determine a) la relación de extrusión, b) la

deformación real (deformación homogénea c) el esfuerzo de extrusión, d) la

or

presión del pisón, e) fuerza del pisón y f) potencia, si la velocidad del pison = 8.5

H

mm/s

2. Un tocho cilíndrico de 100 mm de largo y 40 mm de diámetro se reduce por extrusión indirecta (hacia atrás) a un diámetro de 15 mm El ángulo del dado =

ta

90º. Si la ecuación de Johnson tiene a = 0.8 y b = 1.5 y la curva de fluencia para el material (te trabajo es K = 750 MPa y n = 0.15, determine a) la relación de

os

extrusión, b) la deformación real (deformación homogénea c) la deformación, d) la presión del pisón y e) la fuerza del pisón.

Ac

3. Un tocho cuya longitud = 75 mm y su diámetro = 35 mm se extruye directamente a un diámetro de 20 mm. El dado de extrusión tiene un ángulo = 75º. Para el metal de trabajo, K = 600 MPa y n = 0.25. En la ecuación de esfuerzo de

id

extrusión de Johnson a = 0.8 y b = 1.4. Determine a) la relación de extrusión, b) la deformación real (deformación homogénea), e) la deformación de extrusión y

av

d) la presión del pisóna L =70,40 y10mm. 4. Un tocho de 50 mm de longitud y con un diámetro = 38 mm se extruye

D

directamente a un diámetro de 13 pulg. El ángulo de extrusión del dado = 90º. Para el metal del trabajo K = 276 MPa y n = 0.20. En la ecuación de deformación

In

g

de Johnson a = 0.8 y b = 1.5, Determine a) la relación de extrusión, b) la deformación real (deformación homogénea), c) le, deformación de extrusión y d) la presión del pisón a L = 50, 38, 25, 13 y 0 mm.

5. Una operación de extrusión directa se ejecuta sobre un tocho cilíndrico con Lo = 70 mm y Do = 50 mm, El ángulo del dado = 45º y el diámetro del orificio = 13 mm. En la ecuación de Johnson a = 0.8 y b = 1.3. La operación se lleva a cabo

486

Procesos de Manufactura II en caliente y el metal caliente fluye a 103 MPa (n = 0). Determine a) ¿cuál es la relación de extrusión?, b) la posición del pisón cuando el metal se comprime dentro del cono del dado y empieza a extruir a través de la abertura del dado, c) ¿cuál es la presión del pisón correspondiente a esta posición, d) determine

na

también la longitud de la parte final si el pisón detiene su movimiento hacia adelanté al inicio del cono del dado

or

6. Un proceso de extrusión indirecta empieza con un tocho de aluminio de 50 mm de diámetro y 76 mm. de largo. La sección transversal final después de la

H

extrusión es un cuadrado de 25 mm por lado, El ángulo del dado = 90º. La operación se realiza en frío y el coeficiente de resistencia del metal K = 180 MPa y el coeficiente de endurecimiento por deformación n = 0.20. En la ecuación de

ta

deformación por extrusión de Johnson, a = 0.8 y b = 1.2. a) Calcule la relación de extrusión, la deformación real y la deformación de extrusión, b) ¿cuál es el

os

factor de forma del producto?, c) si el tope que se deja en el recipiente al final de la carrera es 13 mm de grueso, ¿cuál es la longitud de la sección extruida?, d)

Ac

determine la presión del pisón en el proceso.

7. Se extruye directamente un perfil estructural en forma de L a partir de un tocho de aluminio en el cual Lo = 250 mm y Do = 89 mm. Las dimensiones de la

id

sección transversal se dan en la Figura P 3.29. El ángulo del dado = 90º Determine a) la relación de extrusión, b) el factor de forma, c) la longitud del

av

perfil extruido si el tope remanente en el recipiente al final de la carrera del pisón

In

g

D

es 25 mm.

FIGURA Parte para el problema.

487

Procesos de Manufactura II 8. Los parámetros de la curva de fluencia para la aleación de aluminio del problema 3.29 son K = 240 MPa y n = 0.16. Si el ángulo del dado en esta operación = 90º y la correspondiente ecuación de deformación de Johnson tiene las constantes a = 0.8 y b = 1.5, calcule la fuerza máxima requerida para

na

impulsar el pisón hacia el principio de la extrusión.

9. Una parte en forma de copa se extruye hacia atrás a partir de un pedazo de

or

aluminio que tiene 50 mm de diámetro. Las dimensiones finales de la copa son:

diámetro exterior = 50 mm, diámetro interior = 40 mm altura = 100 mm y espesor

H

de la base = 5 mm. Determine a) la relación de extrusión b) el factor de forma, c) la altura del pedazo requerido para lograr las dimensiones finales, d) si el metal tiene como parámetros de la curva de fluencia K = 400 MPa y n = 0.25, y las

ta

constantes de la. ecuación de deformación por extrusión de Johnson son a = 0.8

os

y b = 1.5, determine la fuerza de extrusión.

10. Determine el factor de forma para cada una de las formas del orificio de

D

av

id

Ac

extrusión que se ilustra en la figura

In

g

11. Demostrar la expresión para el valor de la presión ejercida por el pisón en una operación de extrusión directa e indirecta, considerando fricción entre el material y las paredes de la cámara de extrusión.

12. Un tocho cilíndrico de lo=100 mm de largo y Do=40 mm de diámetrose reduce por extrusión indirecta (hacia atrás) a un diámetro final Df=15 mm. El ángulo del dado es de α=90º por lo cual los coeficientes de la ecuación de Jhonson para deformación real son a=0,8 y b=1,5. Si los coeficiente que definen la curva de

488

Procesos de Manufactura II esfuerzo deformación del material de trabajo son K=750 MPa y n=0,15 calcular : a) relación de extrusión; b) deformación ideal (homogénea); c) deformación real (ecuación de Jhonson), d) presión, P y fuerza, F del pistón para ambas deformaciones.

na

13. Un tocho cilíndrico de lo=75 mm de largo y Do=35 mm de diámetro se reduce

por extrusión directa a un diámetro final Df=20 mm. El ángulo del dado es de α=75º por lo que a=0,8 y b=1,4 en la ecuación de Jhonson. El material de trabajo

or

es un acero de bajo carbono cuya curva de esfuerzo deformación está definida por K=600 MPa y n=0,25. Determinar: a) relación de extrusión; b) deformación

In

g

D

av

id

Ac

os

ta

fuerza, F del pistón para ambas deformaciones.

H

ideal (homogénea); c) deformación real (ecuación de Jhonson), d) presión, P y

489

Procesos de Manufactura II Estirado 1. Un material en barras se estira a través de un dado de extrusión con un ángulo de entrada de 12º un diámetro inicial = 13 mm y un diámetro final = 9 mm. El

na

coeficiente de fricción en la interfase trabajo-dado = 0.1. El metal tiene un coeficiente de resistencia = 310 MPa y el exponente de deformación por

endurecimiento = 0.22. Determine a) el área de reducción, b) la fuerza de

or

estirado para la operación y c) la potencia para realizar la operación si la

H

velocidad de salida del material = 600 mm/seg.

2. Se estira un alambre con un diámetro inicial de 3.0 mm a 2.5 mm con un ángulo de entrada del dado = 15º. El coeficiente de fricción en la interfase trabajo-dado

ta

= 0.07. Para el metal de trabajo K = 500 MPa y n = 0.30. Determine: a) la

para la operación.

os

reducción del área, b) el esfuerzo de estirado y c) la fuerza de estirado requerida

3. Un material en barra con un diámetro inicial = 89 mm se estira con una

Ac

diferencia de 13 mm. El dado de estirado tiene un ángulo de entrada = 18º y su coeficiente de fricción en la interfase trabajo-dado = 0.08. El metal se comporta como un material perfectamente plástico con un esfuerzo de fluencia = 103 Mpa,

id

Determine: a) la reducción del área, b) el esfuerzo de estirado, c) la fuerza de estirado requerida para la operación, d) la potencia para realizar la operación si

av

la velocidad de salida es 15 mm/s. 4. Un alambre cuyo diámetro inicial = 3 mm se estira a través de dos dados,

D

produciendo cada dado una reducción de área = 0.20. El metal inicial tiene un coeficiente de resistencia = 276 MPa y un exponente de endurecimiento por

In

g

deformación = 0.15. Cada dado tiene un ángulo de entrada de 12º y un coeficiente de fricción en la interfase trabajo-dado estimado en 0.10. Los motores que impulsan los cabrestantes a la salida del dado pueden liberar 1.50 Hp a 90% de eficiencia. Determine la velocidad máxima posible del alambre al salir del segundo dado,

490

Procesos de Manufactura II 5. Demostrar la máxima reducción ideal por pase de estirado. 6. Un alambre de diámetro inicial Do=3 mm se estira hasta lograr un diámetro final de Df=2, 5 mm. El ángulo de entrada del dado es de α=15º, el coeficiente de fricción en la interfase dado-material es μ=0,07 y el material de trabajo, cobre

na

puro recocido, está definido por la curva esfuerzo deformación de coeficientes

K=300 MPa y n=0,4. Calcular: a) la reducción de área; b) el esfuerzo de estirado,

or

σd y c) fuerza de estirado, F.

7. Un alambre de diámetro inicial Do=3.18 mm se estira a través de dos dados, produciendo cada uno una reducción de área de r=0,2. El material inicial,

H

aluminio aleado recocido, tiene un coeficiente de resistencia K=280 MPa y n=15. Cada dado tiene un ángulo de entrada α=12º y un coeficiente de fricción dado-

ta

material estimado en μ=0,07. Los motores que impulsan los cabrestantes a la salida del dado pueden liberar Pot=1,5 hp con un rendimiento del 90%.

os

Determinar la velocidad máxima de estirado a la salida del segundo dado. 8. Una barra de diámetro inicial Do= 88.9 mm se estira con un Draft de 12.7 mm. El

Ac

dado de estirado tiene un ángulo de entrada de α=12º y coeficiente de fricción de μ=0,08. El metal se comporta como un material perfectamente plástico (n=0) con esfuerzo de fluencia Y=400 Mpa. Determinar: a) la reducción de área; b) esfuerzo de estirado; c) fuerza de estirado y d) la potencia para realizar la

In

g

D

av

id

operación si la velocidad de salida es de 1 m/s.

491

Procesos de Manufactura II Operaciones de corte 1. Se usa una cizalla mecanizada para cortar acero laminado en frío de 5 mm de

na

grueso. ¿A qué claro debe ajustarse la cizalla para producir el corte óptimo? 2. Se ejecuta una operación de corte de formas sobre un acero laminado en frío de

2,0 mm de grueso (medio endurecido), La parte es circular con diámetro = 75.0

or

mm. Determine los tamaños adecuados del punzón y del dado para esta operación.

H

3. Se usará un dado compuesto para cortar la forma y punzonar una arandela de lámina de aluminio aleado de 3 mm de grueso. El diámetro exterior de la

ta

arandela = 65 mm y el diámetro interior 32 mm. Determine a) el tamaño del punzón y del dado para la operación de punzonado, y b) el tamaño del punzón y

os

el dado para la operación de perforado.

4. Se diseña un dado para corte de formas para cortar el contorno de la parte que

Ac

se muestra en la figura P 3.40. El material tiene 4 mm de grueso (es de acero inoxidable medio endurecido). Determine las dimensiones del punzón para corte

In

g

D

av

id

de formas y la abertura del dado.

FIGURA Forma para la parte del problema.

5. .Determine el tonelaje mínimo de la prensa para realizar el punzonado y la operación de perforado en el problema 3.39, si la lámina de aluminio tiene una resistencia a la tensión = 290 MPa. Suponga que ambos procesos ocurren simultáneamente

492

Procesos de Manufactura II 6. Determine los requerimientos de tonelaje para la operación de corte de formas (blanking) en el problema 3.40, si el acero inoxidable tiene una resistencia al corte = 427 MPa.

na

7. El supervisor de la sección de prensas le informa que hay un problema en la operación de punzonado, .durante la cual se está produciendo rebaba excesiva.

¿Cuáles son las posibles causas de la rebaba y que se puede hacer para

or

corregir esta situación?

de 4,76 mm de espesor, en una cizalla mecánica.

H

8. Determinar el claro apropiado, para cortar una lámina de acero laminado en frío

9. Determinar el tamaño adecuado para el punzón y dado si se desea realizar una

ta

operación de “punzonado” de una parte circular de 75 mm de diámetro en una lámina metálica de 2 mm de espesor de acero laminado en frío. Cuáles serían

os

las dimensiones si la operación es un “perforado”?

10. Determinar la fuerza de corte requerida en el problema anterior si la resistencia a

In

g

D

av

id

Ac

la tracción del material es UTS=500 Mpa.

493

Procesos de Manufactura II Doblado 1. Una operación de doblado se realiza sobre un acero laminado en frío de 5 mm de grueso. Los dibujos de la parte se muestran en la figura P 3.44. Determine el

ta

H

or

na

tamaño de la forma requerida.

os

FIGURA Parte en la operación de doblado del problema 2. Un perfil en forma de L se dobla en una operación de doblado en V en una

Ac

prensa de cortina a partir de una forma plana de 100 mm x 38 mm con un espesor de 4 mm. El doblez de 90º se hará a la mitad de la longitud de 100 mm. a) Determine las dimensiones de los 2 lados iguales que resultarán después del

id

doblado, si el radio del doblado = 4.5 mm. Por conveniencia estos lados deben medirse al principio del radio del doblez. b) Determine también la longitud del eje

av

neutral de la parte después del doblado y c) ¿dónde se debe fijar el tope en la prensa de cortina con respecto a la longitud inicial de la parte?

D

3. Determine la fuerza del doblado que se requiere en el problema 2, si el doblado se realizará en un dado en V, con una abertura del dado = 3.8 mm. El material

In

g

tiene una resistencia a la tensión = 620 MPa.

4. Determine la fuerza de doblado que se requiere en el problema 3 si el doblado se realiza en un dado en V con una abertura del dado D = 32 mm. El material tiene una resistencia a la tensión = 483 MPa

494

Procesos de Manufactura II 5. Resuelva el problema 4, excepto que la operación se realiza usando un dado deslizante con una abertura D = 19 mm. 6. Una parte de lámina de 3 mm de grueso y 20.0 mm de largo se dobla a un

na

ángulo incluido = 60º y un radio de doblez = 7.5 mm en un dado en V. El metal tiene una resistencia a la tensión = 340 MPa. Calcule la fuerza requerida para

or

doblar la parte, si la abertura del dado = 15 mm.

7. Determinar la fuerza de doblado de una lámina de acero (UTS=1200 Mpa) de 4,

con una abertura del dado de 38,1 mm.

H

76 mm de espesor y 31,75 mm de ancho si la operación es un doblado en “V”

8. Determinar el ángulo y radio que se obtiene luego de la recuperación elástica

ta

que experimenta una lámina de acero que es doblada un ángulo de 90º y radio de doblado de 12,5 mm. Propiedades mecánicas del material: E=190 Gpa e

os

Y=500Mpa.

9. Una lámina de Aluminio (UTS=340 Mpa) de 3 mm de espesor y 20 mm de ancho

Ac

se doble a un ángulo incluido de 60º con un radio de doblado de 7.5 mm. Calcule la fuerza de doblado si la operación se realiza: a) doblado en “V”, D=30

In

g

D

av

id

mm y b) doblado de bordes D=15mm.

495

Procesos de Manufactura II Operaciones de embutido 1. Derive una expresión para la reducción r en el embutido como una función de la

na

relación de embutido DR. 2. Se forma un vaso en una operación de embutido profundo, la altura del vaso es

de 75 mm y su diámetro interior = 100 mm. La lámina metálica tiene un espesor

or

de 2 mm. Si el diámetro de la forma = 230 mm, determine: a) la relación de embutido, b) la reducción, c) la relación entre el espesor y el diámetro, y d) ¿es

H

posible la operación?

diámetro 180 mm.

ta

3. Resuelva el problema 2, excepto que el tamaño de la forma inicial tiene un

os

4. Se ejecuta una operación de embutido profundo en la cual el diámetro interior del cilindro 100 mm y la altura = 65 mm. El espesor del material = 3 mm y el diámetro de la forma inicial = 190 mm. El radio del punzón y el dado = 4 mm. El

Ac

metal tiene una resistencia a la tensión = 415 Mpa y una resistencia a la fluencia de 207 Mpa Determine a) la relación de embutido, b) la reducción, c) la fuerza de embutido y d) la fuerza del sujetador de formas.

id

5. Resuelva el problema 4, excepto que el espesor del material = 4.5 mm.

av

6. En una operación de embutido el diámetro interior = 80 mm y la altura = 50 mm El espesor del material = 3.0 mm y el diámetro inicial de la forma = 150 mm. El radio del punzón y el dado = 4 mm, la resistencia a la tensión = 400 MPa y la

D

resistencia a la fluencia del metal = 180 MPa. Determine a) la relación de

embutido, b) la reducción, c) la fuerza de embutido y d) la fuerza del sujetador de

In

g

la forma

7. Se ejecuta una operación de embutido en una forma de lámina de 3 mm de grueso. La altura de la copa (dimensión interna) es de 95 mm y el diámetro = 130 mm (dimensión interna). Suponiendo que el radio del punzón es = 0, calcule el diámetro inicial de la forma para completar la operación sin dejar material para la pestaña ¿Es posible la operación? (ignore el hecho de que el radio del punzón es demasiado pequeño). 496

Procesos de Manufactura II 8. Resuelva el problema 7 usando un radio del punzón = 10 mm. 9. Una operación de embutido se ejecuta sobre un material de 3.0 mm de grueso, La parte es un vaso cilíndrico con una altura = 50 mm y un diámetro interno = 70 tamaño de la forma inicial Db, b) ¿es posible la operación?

or

10. Resuelva el problema 9, excepto que la altura = 60 mm.

na

mm. Suponga que el radio de la esquina en el punzón = cero. a) Encuentre el

11. Resuelva el problema 10, excepto que el radio de la esquina en el punzón = 10

H

mm.

ta

12. El supervisor de la sección de embutido le enseña varias muestras de partes que han sido embutidas, las muestras tienen varios defectos. Una tiene orejas,

os

otra tiene arrugas y la tercera tiene desgarres en la base. ¿Cuáles son las causas de cada uno de estos defectos y qué solución propondría usted? 13. Una parte en forma de copa se embute sin sujetador a partir de una lámina de

Ac

metal cuyo espesor = 6.5 mm. El diámetro interior de la copa = 65 mm, su altura = 38 mm y el radio de la esquina en la base 9.5 mm. a) ¿Cuál es el diámetro mínimo de la forma inicial que puede usarse de acuerdo con la ecuación 3.51?,

id

b) ¿proporciona esta forma el material suficiente para completar la copa? 14. Se desea realizar el embutido de una copa de 80 mm de diámetro interior y 50

av

mm de profundidad. El espesor de la lámina es de 3 mm, el diámetro inicial de la forma de 150 mm y los radios de punzón y del dado son de 4 mm. La resistencia a la tensión del material es de 400 Mpa y la resistencia a la fluencia de 180 Mpa.

D

Determinar: a) relación de embutido; b) reducción; c) fuerza máxima de embutido y d) fuerza del sujetador.

In

g

15. Una operación de embutido se ejecuta sobre un material de 3 mm de espesor. La parte es un vaso cilíndrico de 50 mmm de altura y diámetro interno de 70 mm. Suponiendo que el radio del punzón es cero determinar: a) tamaño de la forma inicial (Db); b) ¿es posible el embutido en una sola operación? 16. Resolver el problema anterior considerando un radio del punzón de 10 mm y para una altura de la copa de 60 mm.

497

Procesos de Manufactura II 17. Una parte en forma de copa se embute sin sujetador a partir de una lámina de metal de 6,35 mm espesor. El diámetro interior es de 63,5 mm, su altura de 38,1 mm y el radio de la esquina en la base es de 9,5 mm. A) ¿Cuál es el diámetro mínimo de la forma inicial para que la operación se pueda realizar con éxito?; b)

In

g

D

av

id

Ac

os

ta

H

or

na

¿Proporciona esta forma el material suficiente para completar la copa?

498


BIBLIOGRAFÍA 1. INSTITUTO LATINOAMERICANO DEL FIERRO Y ACERO "ILAFA" SAO PAULO.

na

FABRICACIÓN DE CILINDROS DE LAMINACIÓN, SAO PAULO-BRASIL.

2. INSTITUTO LATINOAMERICANO DEL FIERRO Y ACERO "ILAFA", PRIMER

or

SIMPOSIO DE CILINDROS PARA LAMINACIÓN, BUENOS AIRES-ARGENTINA. 3. AKERS-SUECIA, CILINDROS PARA LAMINACIÓN DE ACERO Y OTROS

H

METALES.

4. DIETER, “METALURGIA MECÁNICA”, EDITORIAL AGUILAR. ROWE,

“CONFORMADO DE LOS METALES”, EDITORIAL URMO. ANTON POMP, “STEEL

ta

WIRE”, EDITORIAL THE WIRE ASSOCIATION INC. “STEEL WIRE HANDBOOK”,

TREATING OF STEEL”, U.S.S.

os

EDITORIAL THE WIRE ASSOCIATION INC. “THE MAKING, SHAPING AND

5. E. SIEBEL, “FUERZAS Y TENSIONES EN EL ESTIRADO DE ALAMBRES”, REVISTA ALAMBRE DE JUNIO DE 1952. KARL SCHIMZ, “SISTEMA PARA

Ac

SIMPLIFICAR LOS CÁLCULOS EN EL ESTIRADO DE ALAMBRES”, REVISTA ALAMBRE DE FEBRERO DE 1952.

6. L. M. KACHANOV, “FUNDAMENTALS OF THE THEORY OF PLASTICITY”,

id

EDITORIAL MIR, 1974. 7. PRINCIPIES OF METAL METALWORKING”,G. ROWE.

av

8. “CIENCIA E INGENIERIA DE LOS MATERIALES”,D. ASKELAND 9. GUIA DE LABORATORIO Y APUNTES DE CATEDRA. 10. ESTAMPADO EN FRÍO DE LA CHAPA, MARIO ROSSI.

D

11. LA CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES, DONALD R. ASKELAND.

In

g

12. APUNTE GUÍA DE PROCESOS MANUFACTURA.

499

Libro Conformado

Recommend Documents