Fundamentos y Aplicaciones del Conformado por Deformación, Pulvimetalurgia y Procesamiento de Polímeros

Procesos de Conformado por Deformación

El conformado por deformación es un conjunto de procesos que modifican la forma de un material mediante la aplicación de fuerzas, sin que haya pérdida significativa de material.

Ventajas Generales

• No hay desperdicios de material.
• Aumenta la resistencia mecánica del producto.

Trabajo en Frío

Se realiza a temperatura ambiente o por debajo de la temperatura de recristalización. Genera una alta resistencia a la deformación.

• Mejor precisión dimensional.
• Endurecimiento por deformación.
• Orientación de granos según el interés.
• Ahorro de energía (E) en el proceso.

Trabajo en Templado

Se realiza a una temperatura (Ta) menor que la temperatura de recristalización.

• Fuerzas (F) más bajas que en frío.
• Permite geometrías complejas.
• No requiere recocido posterior.
• Requiere energía (E) para calentar el material.

Trabajo en Caliente

Se realiza a la temperatura de recristalización o a una temperatura superior.

• Mayor ductilidad.
• Menor esfuerzo requerido.
• No requiere recocido.
• No genera tensiones residuales.
• Propiedades isotrópicas.
• No hay endurecimiento por deformación (n=0).

Laminado

Proceso de conformado donde el material pasa entre rodillos para reducir su espesor.

Inconvenientes

• Alta inversión en material especial para rodillos.
• Generación de óxido en el trabajo en caliente.
• El trabajo en frío requiere recocido posterior.
• Es necesario precalentar el acero a 1200ºC para evitar sobretensiones.

Productos de Partida

• Petaca (Slab)
• Llantón (Bloom)
• Feje (Billet)
• Palanquilla (Bar)

Forja

Utilizada para la fabricación de engranajes, bielas, etc. Siempre se realiza en caliente o templado, ya que es un proceso agresivo.

Ventajas

• Permite la producción de una gran cantidad de piezas.

Tipos de Compresión

• Por impacto.
• De forma gradual.

Tipos de Forja según la Estampa

Forja Abierta

• Aumento de la fuerza (F) debido al endurecimiento.
• Aparece el abarrilamiento debido a las fuerzas de fricción (Fr).
• Es necesario tener en cuenta el coeficiente de corrección (Kf) debido a la fricción.

Forja con Estampa Impresa

• Provoca una deformación irregular del material.
• Se debe tener en cuenta el coeficiente Kc (factor de complejidad):
  • Formas simples = 6
  • Formas complejas = 8
  • Formas muy complejas = 10

Forja sin Rebaba

• No genera rebaba.
• Desventaja: El volumen de material debe ser igual al volumen del producto final.

Estampa (Encabezamiento)

Proceso similar a la forja sin rebaba, con principios análogos a los de la forja abierta, utilizado para encabezamientos.

Extrusión

Permite la fabricación de una gran variedad de piezas, logrando una orientación de granos adecuada en función de la geometría de la pieza.

Extrusión en Caliente

• Utilizada para materiales de baja ductilidad o geometrías muy complejas.
• Requiere el uso de lubricantes.

Extrusión en Frío

• Utilizada para materiales de alta ductilidad.
• Puede realizarse por impacto.

Tipos de Extrusión

Extrusión Directa

El material y el punzón se mueven en la misma dirección.

Extrusión Inversa

El punzón y el material se mueven en direcciones opuestas.

No produce rozamiento entre el tocho y el contenedor.

Extrusión Hidrostática

No genera rozamientos, lo que evita la rotura de materiales de baja ductilidad.

Consideraciones de Diseño

• Ángulo de la matriz: Debe optimizarse para minimizar la fricción (Fr) y la fuerza total (Ftotal), y para evitar flujos turbulentos.

Materiales

• En caliente: Aceros aleados.
• En frío: Materiales con alto grado de rigidez (carburos concentrados).

Pulvimetalurgia (Metalurgia de Polvos)

Proceso rentable para volúmenes de producción muy grandes, utilizado en la fabricación de motores y aspersores.

Etapas del Proceso

1. Obtención de polvos: Mediante reducción o deposición eléctrica.
2. Mezclado.
3. Compactación.
4. Sinterización: Solo necesaria después de la compactación en frío.
5. Operaciones de acabado.

Métodos de Compactación y Sinterización

• Prensado Isostático.
• PIM (Powder Injection Molding): Moldeo por inyección de polvos.
• Compactación sin presión.
• Compactación por rocío: Genera grano muy pequeño y alta densidad, seguido de extrusión o forja.
• Sinterizado: Los polvos se calientan a temperaturas elevadas (70-90% de la temperatura de fusión) en un horno de tres cámaras en atmósfera controlada (H₂, N₂). El proceso depende de la temperatura y el tiempo.

Mecanismos de Unión de Partículas

Las partículas se unen por:

• Difusión.
• Transporte de material en estado vapor.
• Recristalización.

Materiales para Punzón y Matrices

Se utilizan aceros para herramientas y carburo de tungsteno, buscando provocar pocas holguras y superficies muy pulidas.

Conformado de Chapa

Cizallado

Separación de partes metálicas mediante fuerzas de cizalladura.

Parámetros que Intervienen

• Forma de la matriz y el punzón.
• Velocidad (V) de punzonado.
• Lubricación.
• Holgura entre punzón y matriz.

Relación Holgura - Calidad

• Mayor holgura y menor ductilidad resultan en mayor rebaba.
• Menor holgura resulta en mejor calidad de bordes, pero mayor esfuerzo y deterioro de la herramienta.

Procesos de Corte

• Corte con matriz: Perforado, seccionado, muescado y pestañado.
• Punzonado: Se busca obtener la chapa perforada (el material extraído es el desecho).
• Troquelado: Se busca obtener la pieza cortada (el material extraído es el producto).

Doblado

Recuperación Elástica (Springback)

La recuperación elástica aumenta si:

• Aumenta el límite elástico.
• Aumenta el módulo de elasticidad.
• Aumenta la relación Radio/Espesor (R/T).
• Aumenta el ángulo de plegado.

Doblado de Tubos

• Por estiramiento.
• Por extracción (arrastre).
• Por compresión.

Embutido

Proceso donde un punzón prensa un disco de chapa en una matriz para formar una copa hueca.

Factores a Considerar

• Diámetro y espesor del disco.
• Radio del borde de la matriz.
• Diámetro del punzón.
• Radio del borde del punzón.

Variables Dependientes

• Propiedades del material.
• Relación diámetro del disco - diámetro del punzón.
• Espesor del disco.
• Holgura entre matriz y punzón.
• Fricción y lubricación.
• Velocidad (V) del punzón.

La anisotropía (R) del material determina su capacidad de embutido.

Para Evitar el Desgarre

• Radios adecuados en la matriz.
• Lubricación correcta.
• Tamaño y forma adecuada de la pieza, sin defectos.
• Cortar esquinas a 45º.

Otros Procesos Relacionados

• Rechazado de hojas y tubos.

Procesamiento de Plásticos

Propiedades Generales de los Plásticos

• Alta resistencia a la corrosión y a los químicos.
• Baja conductividad eléctrica y térmica (Temperatura).
• Baja densidad.
• Alta resistencia específica.
• Variedad de apariencia.
• Alta capacidad de procesado.

Formación de Polímeros

• Funcionalizados: Formados por condensación.
• Olefinas: Formados por adición.

Comportamiento Reológico

Dilatante

Fluidos que aumentan su viscosidad al aumentar su velocidad (V) de deformación. Propio de algunos termoplásticos.

Pseudoplástico

Fluidos que disminuyen su viscosidad al aumentar su velocidad (V) de deformación (comportamiento más común). Propio de la mayoría de los termoplásticos.

Extrusión de Plásticos

Según el tipo de plástico, se deben tener en cuenta:

• Temperatura vítrea y de fusión.
• Orientación.
• Absorción de agua.
• Propiedades térmicas y eléctricas.

Optimización del Transporte

• Mayor rozamiento entre la masa y el cilindro, y menor rozamiento entre la masa y el tornillo, resultan en un mejor transporte.
• Menor holgura entre el tornillo y el cilindro, y mayor profundidad del canal, resultan en una mejor fusión.

Efectos Post-Proceso

El tensionado y la relajación provocan cambios en el tamaño y la forma.

Procesos de Extrusión

• Líneas de extrusión de tubo.
• Líneas de mezclado.
• Líneas de películas/láminas.
• Líneas de recubrimiento (ej. PVC).
• Líneas de fibras y filamentos (ej. PA, poliéster).

Inyección de Plásticos

Tipos de Inyección

• Por pistón.
• Inyección por husillo.
• Inyección de termoestables.
• Asistida por gas.

Ventajas

• Proceso en una sola etapa.
• Buen acabado superficial.
• Variedad geométrica.
• Automatizable.

Variables de Control

• Temperatura de inyección y del molde.
• Presión (P) de llenado.
• Presión (P) de compactación.
• Presión (P) posterior.
• Tiempo (T) de inyección inicial.
• Tiempo (T) de compactación y de enfriamiento.

Compresión de Plásticos

• Solo apto para termoestables.
• Bajo nivel de deformación e inversión inicial.
• Limitación en formas complicadas.
• Mejores propiedades mecánicas.
• Permite obtener piezas finas sin alabeos.
• No genera recortes.