conferencia no10

Metalurgia y Tecnología Mecánica Jorge Alberto Rodríguez García

Conferencia No. 10

Tema 4. Estampado de los Metales.

Sumario: 4.1 Introducción: Base teórica y régimen térmico del estampado de Metales. 4.2 Forjado o estampado libre. Concepto y operaciones fundamentales

Objetivo Observar las normas de protección de la salud y la vida del hombre, del medio

ambiente, mejorar las condiciones de trabajo garantizando el buen estado técnico de las máquinas, equipos e instalaciones industriales.

Identificar los medios y medidas de protección e higiene del trabajo vinculados a los procesos de soldadura, de tratamiento térmico, de conformado y de maquinado.

Establecer los elementos de calidad en: el Tratamiento Térmico, la Soldadura, el Conformado y el Maquinado.

Determinar los equipos, medios y materiales en los diferentes procesos de: Tratamiento Térmico, Soldadura, Conformado y Maquinado

Identificar los medios de protección y las medidas de seguridad laboral en el conformado

Resumir los diferentes métodos de conformado de los materiales Enumerar las operaciones fundamentales de los diferentes procesos de

conformado Determinar el régimen de trabajo Seleccionar el corte óptimo de la chapa

Bibliografía

Amstead B.H., Otswald Ph.F. y Begeman M.L. Procesos de Manufactura. Versión SI (Básico). CECSA. Mexico. 1994

Malishev A. Nikolaiev G. y Shuvalov Y. Tecnología de los Metales. MIR. Moscú. 1994

Textos Auxiliares:

Doyle Lawrence E. Materiales y Procesos de Manufactura para Ingenieros. Prentice Hall. Mexico. 1988.

Askeland D. R. Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Grupo Editorial Iberoamérica. México. 1987

Textos Complementarios:

Piredda C. M. V. Soldadura eléctrica Manual. Limusa Noriega, Mexico, 1991.

Pregunta de control a los estudiantes

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Explique que es la soldadura

Rememoración

En la actividad anterior realizamos el estudio del tema soldadura relacionando la preparación de bordes.MotivaciónComo se logra la carrocería de un automóvil.

Desarrollo

4.1 Introducción: Base teórica y régimen térmico del estampado de Metales. MARCO TEÓRICO.

4.1 Introducción al conformado de metales

Debido a que los metales deben ser conformados en la zona de

comportamiento plástico es necesario superar el límite de fluencia para que la

deformación sea permanente. Por lo cual, el material es sometido a esfuerzos

superiores a sus límites elásticos, estos límites se elevan consumiendo así la

ductilidad. Este proceso se ilustra en la Figura No. 1.

Figura 1. Curva de esfuerzo- deformación

En el conformado de metales se deben tener en cuenta ciertas propiedades,

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tales como un bajo límite de fluencia y una alta ductilidad. Estas propiedades son influenciadas por la temperatura: cuando la temperatura aumenta, el límite de fluencia disminuye mientras que la ductilidad aumenta.

Existe para esto un amplio grupo de procesos de manufactura en los cuales

las herramientas, usualmente un dado de conformación, ejercen esfuerzos

sobre la pieza de trabajo que las obligan a tomar la forma de la geometría del dado. A continuación se muestra el tipo de distinciones a tener en cuenta cuando se estudian los procesos de conformación de metales:

Trabajo en frío

Se refiere al trabajo a temperatura ambiente o menor. Este trabajo ocurre al aplicar

un esfuerzo mayor que la resistencia de cedencia original de metal, produciendo a la vez una deformación.

Las principales ventajas del trabajo en frío son: mejor precisión, menores

tolerancias, mejores acabados superficiales, posibilidades de obtener propiedades de dirección deseadas en el producto final y mayor dureza de las partes.

Sin embargo, el trabajo en frío tiene algunas desventajas ya que requiere mayores

fuerzas porque los metales aumentan su resistencia debido al endurecimiento por deformación, produciendo que el esfuerzo requerido para continuar la deformación se incremente y contrarreste el incremento de la resistencia (Figura No. 1); la reducción de la ductilidad y el aumento de la resistencia a la tensión limitan la cantidad de operaciones de formado que se puedan realizar a las partes. Trabajo en caliente

Se define como la deformación plástica del material metálico a una temperatura

mayor que la de recristalización. La ventaja principal del trabajo en caliente consiste en la obtención de una deformación plástica casi ilimitada, que además es adecuada para moldear partes grandes porque el metal tiene una baja resistencia de cedencia y una alta ductilidad.

Los beneficios obtenidos con el trabajo en caliente son: mayores modificaciones a la

forma de la pieza de trabajo, menores fuerzas y esfuerzos requeridos para deformar el material, opción de trabajar con metales que se fracturan cuando son trabajados en frío, propiedades de fuerza generalmente isotrópicas y, finalmente, no ocurren endurecimientos de partes debidas a los procesos de trabajo. Sin embargo el acabado superficial y las tolerancias suelen ser más bajas en comparación con el trabajo en frío, las partes trabajadas tienen un comportamiento anisotrópico. Así mismo, es más difícil de registrar el control de exactitud dimensional debido a la combinación de deformación elástica y contracción térmica del metal, por lo cual en el diseño de la pieza es necesario tener en cuenta una dimensión mayor al iniciar cualquier operación.

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En la práctica, el trabajo en caliente se realiza desde temperaturas un poco mayores a 0.5Tm (la mitad de la temperatura de fusión). El proceso de deformación genera por sí mismo calor que incrementa las temperaturas de trabajo en sectores localizados de las partes, lo que puede causar la fusión indeseable de dichas regiones.

OPERACIONES DE FORMADO O PREFORMADO DE LÁMINAS DE METAL

Los procesos de conformado de láminas son operaciones realizadas en láminas, tiras y rollos, realizadas a temperatura ambiente con sistemas de punzones y dados. Algunos de ellas son: operación de corte, doblado y embutido. Operaciones de Corte. Cizallado Operación de corte de láminas que consiste en disminuir la lámina a un menor tamaño. Para hacerlo el metal es sometido a dos bordes cortantes, como se muestra en la Figura No. 2.. Proceso de Cizallado Donde V es la velocidad y F es la fuerza de la cuchilla.

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La deformación es únicamente uno de los diversos procesos que pueden usarse

para obtener formas intermedias o finales en el metal.

El estudio de la plasticidad está comprometido con la relación entre el flujo del metal y el esfuerzo aplicado. Si ésta puede determinarse, entonces las formas más requeridas pueden realizarse por la aplicación de fuerzas calculadas en direcciones específicas y a velocidades controladas.

Las maquinas, aparatos, herramientas y diversos artículos mecánicos están formados por muchas piezas unidas, tales como: pernos, armazones, ruedas, engranajes, tornillos, etc. Todas estas piezas obtienen su forma mediante diferentes procesos mecánicos (Procesos de conformado), fundición, forja, estirado, laminado, corte de barras y planchas, y por sobre todo mediante arranque de virutas.

Embutido profundo y prensado

El embutido profundo es una extensión del prensado en la que a un tejo de metal, se le da una tercera dimensión considerable después de fluir a través de un dado. El prensado simple se lleva a cabo presionando un trozo de metal entre un punzón y una matriz, así como al indentar un blanco y dar al producto una medida rígida. Latas para alimentos y botes para bebidas, son los ejemplos más comunes.

Figura 17. Embutido

Este proceso puede llevarse a cabo únicamente en frío. Cualquier intento de

estirado en caliente, produce en el metal un cuello y la ruptura. El anillo de presión en la Fig. 12 evita que el blanco se levante de la superficie del dado, dando arrugas radiales o pliegues que tienden a formarse en el metal fluyendo hacia el interior desde la periferia del orificio del dado.

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Laminado

Este es un proceso en el cual se reduce el espesor del material pasándolo entre un par de rodillos rotatorios. Los rodillos son generalmente cilíndricos y producen productos planos tales como láminas o cintas. También pueden estar ranurados o grabados sobre una superficie a fin de cambiar el perfil, así como estampar patrones en relieve. Este proceso de deformación puede llevarse a cabo, ya sea en caliente o en frío.

Figura 18. Laminado.

El trabajo en caliente es usado muy ampliamente porque es posible realizar un cambio en forma rápida y barata. El laminado en frío se lleva a cabo por razones especiales, tales como la producción de buenas superficies de acabado o propiedades mecánicas especiales. Se lamina más metal que el total tratado por todos los otros procesos.

Forjado

En el caso más simple, el metal es comprimido entre martillo y un yunque y la forma final se obtiene girando y moviendo la pieza de trabajo entre golpe y golpe. Para producción en masa y el formado de secciones grandes, el martillo es sustituido por un martinete o dado deslizante en un bastidor e impulsado por una potencia mecánica, hidráulica o vapor.

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Un dispositivo utiliza directamente el empuje hacia abajo que resulta de la explosión en la cabeza de un cilindro sobre un pistón móvil. Los dados que han sustituido al martillo y al yunque pueden variar desde un par de herramientas de cara plana, hasta ejemplares que tiene cavidades apareadas capaces de ser usadas para producir las formas más complejas

Figura 19. Forjado.

Si bien, el forjado puede realizarse ya sea con el metal caliente o frío, el elevado gasto de potencia y desgaste en los dados, así como la relativamente pequeña amplitud de deformación posible, limita las aplicaciones del forjado en frío. Un ejemplo es el acuñado, donde los metales superficiales son impartidos a una pieza de metal por forjado en frío. El forjado en caliente se está utilizando cada vez más como un medio para eliminar uniones y por las estructuras particularmente apropiadas u propiedades que puede ser conferidas al producto final. Es el método de formado de metal más antiguo y hay muchos ejemplos que se remontan hasta 1000 años A. C.

Estirado

Este es esencialmente un proceso para la producción de formas en hojas de metal. Las hojas se estiran sobre hormas conformadas en donde se deforman plásticamente hasta asumir los perfiles requeridos. Es un proceso de trabajo en frío y es generalmente el menos usado de todos los procesos de trabajo

Figura 20. Estirado.

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Extrusión

En este proceso un cilindro o trozo de metal es forzado a través de un orificio por medio de un émbolo, por tal efecto, el metal estirado y extruido tiene una sección transversal, igual a la del orificio del dado.

Hay dos tipos de extrusión, extrusión directa y extrusión indirecta o invertida. En el primer caso, el émbolo y el dado están en los extremos opuestos del cilindro y el material es empujado contra y a través del dado. En la extrusión indirecta el dado es sujetado en el extremo de un émbolo hueco y es forzado contra el cilindro, de manera que el metal es extruido hacia atrás, a través del dado.

Figura 21. Extrusión

La extrusión puede llevarse a cabo, ya sea en caliente o en frío, pero es predominantemente un proceso de trabajo en caliente. La única excepción a esto es la extrusión por impacto, en la cual el aluminio o trozos de plomo son extruidos por un rápido golpe para obtener productos como los tubos de pasta de dientes. En todos los procesos de extrusión hay una relación crítica entre las dimensiones del cilindro y las de la cavidad del contenedor, especialmente en la sección transversal.

El proceso se efectúa a una temperatura de 450 a 500 ºC con el fin de garantizar la extrusión.

El diseño de la matriz se hace de acuerdo con las necesidades del mercado o del cliente particular. La extrusión nos permite obtener secciones transversales sólidas o tubulares que en otros metales sería imposible obtener sin recurrir al ensamble de varias piezas.

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Estirado de alambre

Una varilla de metal se aguza en uno de sus extremos y luego es estirada a través del orificio cónico de un dado. La varilla que entra al dado tiene un diámetro mayor y sale con un diámetro menor. En los primeros ejemplos de este proceso, fueron estiradas longitudes cortas manualmente a través de una serie de agujeros de tamaño decreciente en una "placa de estirado" de hierro colado o de acero forjado. En las instalaciones modernas, grandes longitudes son estiradas continuamente a través de una serie de dados usando un número de poleas mecánicamente guiadas, que pueden producir muy grandes cantidades de alambre, de grandes longitudes a alta velocidad, usando muy poca fuerza humana. Usando la forma de orificio apropiada, es posible estirar una variedad de formas tales como óvalos, cuadrados, hexágonos, etc., mediante este proceso.

Cizallado

El corte del metal implica su sostenimiento a un esfuerzo de corte, superior a su resistencia límite, entre filos cortantes adyacentes como se muestra en la figura 22. Conforme el punzón desciende sobre el metal, la presión produce una deformación plástica que tiene lugar como en B en la figura. El metal se somete a un esfuerzo muy alto entre los filos de la matriz y el punzón, y las fracturas se inician en ambos lados de la lámina a medida que continúa la deformación. Cuando se alcanza el límite de resistencia del material la fractura progresa; si el juego es correcto, y ambos filos tienen el mismo aguzado, las fracturas se encuentran en el centro de la lámina como se muestra en C. el valor del juego, que desempeña un papel importante en el diseño de matrices depende de la dureza del material. Para el acero deberá ser del 5 al 8 % del espesor del material por lado. Si se usa un juego inadecuado, las fracturas no coinciden, y en cambio, deben atravesar todo el espesor de la lámina, consumiendo más potencia.

a) Punzón en contacto con la lámina. b) Deformación plástica.

c) Fractura completa

a) b) c)

Figura 22. Proceso de cizallado de metal con punzón y matriz

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Cizallas de escuadrar

Esta máquina se usa exclusivamente para cizallar láminas de acero y se fabrica tanto `para operación manual como la operada con motor. Se puede colocar lámina con un ancho mayor de 3m. Están provistas de pisadores hidráulicos cada 300mm para prevenir cualquier movimiento de la lámina durante el corte. En la operación, la lámina avanza sobre la bancada de manera que la línea de corte se encuentre bajo la cuchilla. Cuando se acciona el pedal, los pisadores descienden y las cuchillas cortan progresivamente a lo largo de la lámina.

Doblado y formado

Se puede efectuar con el mismo equipo que se usa para corte, esto es, prensas operadas con manivela, excéntrico y leva. En donde esté considerado el doblado, el metal se somete a esfuerzos tanto en tensión como de compresión con valores inferiores a la resistencia límite del material, sin un cambio apreciable del espesor. Tal como en una prensa dobladora, el doblado simple implica un doblez recto a lo largo de la lámina de metal.

Para diseñar una sección rectangular a doblar, uno debe determinar cuánto metal se debe dejar para el dobles, pues las fibras exteriores se alargan y las interiores se cortan. Durante la operación, el eje neutro de la sección se mueve hacia el lado de la compresión, lo cual arroja más fibras en tensión. Todo el espesor disminuye ligeramente, el ancho aumenta en el lado de la compresión y se acorta en el otro. Aunque las longitudes correctas para los dobleces se pueden determinar por fórmulas empíricas, están considerablemente influidas por las propiedades físicas del metal. El metal que se ha doblado, retiene algo de su elasticidad original y hay alguna recuperación de elasticidad después de retirar el punzón, a esto se le llama recuperación elástica.

Figura 23. Recuperación elástica en operaciones de doblado

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Prensa dobladora

Se usan para doblar, formar, rebordear, repujar, desbarbar y punzonar lámina metálica de bajo calibre. Tales prensas pueden tener espacio para lámina de 6 m de ancho y 16 mm de espesor.

La capacidad de presión requerida de una prensa dobladora para un material dado, se determina por la longitud de la pieza, el espesor del metal y el radio del doblez. El radio mínimo interior de doblez se limita usualmente a un valor igual al espesor del material. Para las operaciones de doblado, la presión requerida varía en proporción a la resistencia a la tensión del material. Las prensas dobladoras tienen carreras cortas, y están equipadas generalmente con un mecanismo impulsor excéntrico.

Figura 24. Dobladora.

4.2 Forjado o estampado libre. Concepto y operaciones fundamentales

Forja.

La forja, al igual que la laminación y la extrusión, es un proceso de conformado por deformación plástica que puede realizarse en caliente o en frío y en el que la deformación del material se produce por la aplicación de fuerzas de compresión.

Este proceso de fabricación se utiliza para dar una forma y unas propiedades determinadas a los metales y aleaciones a los que se aplica mediante grandes presiones. La deformación se puede realizar de dos formas diferentes: por presión, de forma continua utilizando prensas, o por impacto, de modo intermitente utilizando martillos pilones.

Hay que destacar que es un proceso de conformado de metales en el que no se produce arranque de viruta, con lo que se produce un importante ahorro de material respecto a otros procesos, como por ejemplo el mecanizado.

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Los principales tipos de forja que existen son:

Forja libre Forja con estampa Recalcado Forjado isotérmico

Forja libre

Es el tipo de forja industrial más antiguo y se caracteriza porque la deformación del metal no está limitada (es libre) por su forma o masa. Se utiliza para fabricar piezas únicas o pequeños lotes de piezas, donde normalmente éstas son de gran tamaño. Además este tipo de forja sirve como preparación de las preformas a utilizar en forjas por estampa.

También puede encontrarse como forja en dados abiertos.

Forja con estampa

Antes y después de aplicar el proceso de forja con estampa

Antes y después de aplicar el proceso de forja con estampa

Este tipo de forja consiste en colocar la pieza entre dos matrices que al cerrarse conforman una cavidad con la forma y dimensiones que se desean obtener para la pieza. A medida que avanza el proceso, ya sea empleando martillos o prensas, el material se va deformando y adaptando a las matrices hasta que adquiere la geometría deseada. Este proceso debe realizarse con un cordón de rebaba que sirve para aportar la presión necesaria al llenar las zonas finales de la pieza, especialmente si los radios de acuerdo de las pieza son de pequeño tamaño y puede estar sin rebaba, dependiendo de si las matrices llevan incorporada una

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zona de desahogo para alojar el material sobrante (rebaba) o no. Se utiliza para fabricar grandes series de piezas cuyas dimensiones y geometrías pueden variar ampliamente. Las dimensiones de estas piezas van desde unos pocos milímetros de longitud y gramos de peso hasta varios metros y toneladas, y sus geometrías pueden ser simples o complejas. Cabe mencionar que es el forjado de estampa.También puede encontrarse como forja en dados cerrados.

En efecto así se presentan estos forjados.

Forjado isotérmico

El forjado isotérmico es un tipo especial de forja en la cual la temperatura de los troqueles es significativamente superior a la utilizada en procesos de forja convencional.

Recalcado

A diferencia de los procesos anteriores que se realizan en caliente, este además puede realizarse en frío. Consiste en la concentración o acumulación de material en una zona determinada y limitada de una pieza (normalmente en forma de barra). Por tanto, una consecuencia directa de este proceso es que disminuye la longitud de la barra inicial y aumenta la sección transversal de ésta en la zona recalcada.

Si el proceso se realiza en frió y en los extremos de las piezas se denomina encabezado en frío.

Fórmulas

Fuerza necesaria para realizar la forja:

donde si se trata de forja con estampa A es el área proyectada de la pieza incluyendo la rebaba y Kf (factor de forma) se obtiene de tablas. En forja libre A es el área de contacto entre la matriz y la pieza y Kf se obtiene de:

donde es el coeficiente de rozamiento entre el material y la prensa, y D y h son el diámetro (o longitud de contacto) y la altura de la pieza en el instante calculado.

Cálculo del esfuerzo de fluencia:

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donde K es el coeficiente de resistencia a la fluencia del material y n es el coeficiente de endurecimiento por acritud.

Cálculo de la deformación:

donde hi es la altura inicial del bruto de partida y hf es la altura final.

Efectos que producen la forja en caliente y el forjado isotérmico

Orientación de la fibra: Las propiedades mecánicas del producto variarán, mejorándolas si el esfuerzo se aplica en la dirección de la fibra formada por el proceso y empeorándolas si se aplica en dirección perpendicular.

Afinamiento del grano: Esto se produce a temperaturas superiores a la de recristalización pero inferiores a la de equicohesión y la forja se realiza con martillos pilones, de modo intermitente. En cambio, el afinamiento no se producirá si se supera la temperatura de equicohesión y la forja se realiza utilizando prensas, de forma continua.

Eliminación de cavidades, poros, sopladuras, etc.: Debido a las enormes presiones a las que el material es sometido en la operación, éste es compactado y desaparecen las cavidades, poros, sopladuras, etc. (siempre que las paredes de estos defectos no estén oxidadas).

Forja artesanal

En este caso, la forja es el arte y el lugar de trabajo del forjador o herrero, cuyo trabajo consiste en dar forma al metal por medio del fuego y del martillo.

Un herrero trabajando una pieza de metal al rojo sobre un yunque.

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Fragua.

Una forja contiene básicamente una fragua para calentar los metales (normalmente compuestos de hierro), un yunque y un recipiente en el cual se pueden enfriar rápidamente las piezas forjadas para templarlas. Las herramientas incluyen tenazas para sostener el metal caliente y martillos para golpearlo.

En la forja se modela el metal por deformación plástica y es diferente de otros trabajos del metal en los que se elimina parte del material mediante brocas, fresadoras, torno, etc., y de otros procesos por los que se da forma al metal fundido vertiéndolo dentro de un molde (fundición).

Al tratarse de un oficio casi en extinción, hay muy pocos artistas forjadores que realmente utilizan el hierro de forma artesanal.

Materiales a los que se aplica

Este proceso puede aplicarse a:

Metales puros: aluminio, cobre, titanio y zinc. Aleaciones: acero, de aluminio, de cobre, de magnesio y bronces.

Aplicaciones

La forja tiene multitud de aplicaciones en distintos campos, algunas de ellas son las siguientes:

Bielas, cigüeñales, ejes, rejas, barandillas, cabezas de tornillos, de pernos, remaches, clavos, etc.

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Resumen

En la clase recibimos los conocimientos básicos proceso sobre el proceso de conformación de metales.

Orientaciones al estudio individual

El estudiante debe estudiar los principios básicos en el proceso características de su empleo.

Motivación a la próxima actividad

Con esta actividad continuaremos el estudio del estampado de metales.

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