Procesos de Manufactura de Metales: Formado, Deformación y Técnicas Avanzadas

Manufactura de Metales: Formado y Deformación

1. Deformación Volumétrica

La deformación volumétrica en metales se clasifica en dos tipos principales de trabajo mecánico:

• Trabajo en Frío: Se caracteriza por el uso de grandes fuerzas, lo que incrementa el esfuerzo propio del metal.
• Trabajo en Caliente: Requiere menos fuerza y las propiedades mecánicas cambian moderadamente.

1.1 Efecto de la Temperatura (T°) en las Propiedades

La temperatura juega un papel crucial en las propiedades de los materiales:

• A mayor T°, los materiales presentan mayor maleabilidad y menor resistencia.
• Se eleva la ductilidad y la tenacidad.
• Se reduce el esfuerzo de fluencia y el módulo de elasticidad.
• El aumento de la T° favorece la deformación plástica.
• Las bajas T° favorecen la fractura.
• La tensión de fluencia disminuye al aumentar la T°.
• La resistencia a la fractura es casi independiente de la T°.

1.2 Trabajo en Caliente

Ventajas:

• No hay tendencia al endurecimiento por trabajo mecánico.
• La porosidad se elimina considerablemente.
• La forma de la pieza de trabajo se puede alterar significativamente.
• Se requiere menor potencia para deformar el metal.
• Las propiedades físicas generalmente mejoran.
• La ductilidad y la resistencia al impacto se perfeccionan, logrando una gran homogeneidad.

Desventajas:

• Mayor requerimiento de energía.
• Oxidación de la superficie de trabajo.
• Acabado más pobre y menor duración de la vida útil de la herramienta.

1.3 Trabajo en Frío

Ventajas:

• Mejor precisión y tolerancias más estrechas.
• Mejora el acabado de la superficie.
• El endurecimiento por deformación aumenta la resistencia y la dureza de la pieza.

Desventajas:

• Mayor potencia requerida.
• Se debe tener cuidado con incrustaciones y suciedad en las superficies de la pieza.
• La ductilidad y el endurecimiento limitan la cantidad de formado que se puede hacer a la pieza.

1.4 Trabajo en Tibio

• Se realiza por debajo de la T° de cristalización.
• Requiere fuerzas más bajas y menor potencia.
• Posibilita trabajos más intrincados.
• Puede eliminar o reducir la necesidad de recocido.

1.5 Formado Isotérmico

• Se utiliza en materiales especiales de altas T°.
• Consiste en eliminar el enfriamiento superficial y los gradientes térmicos mediante el precalentamiento de las herramientas.
• Implica una disminución de la vida útil de la herramienta.

1.6 Tensión y Deformación Real

• Tensión real (s): s = F/A
• Deformación Lineal (e): e = (l-lo)/lo
• Deformación Natural (de): de = dl/lo, e=ln(l/lo)
• Reducción de área (r): r = (Ao-A)/Ao, e=ln(1/(1-r))
• Esfuerzo real o deformación real (s): s=K*eⁿ
  • K: coeficiente de resistencia
  • n: exponente de endurecimiento por deformación, pendiente n=a/b
• Esfuerzo de fluencia promedio (gf): gf = (K*eⁿ)/(1+n)
• e=v/h
  • v: velocidad del cabezal
  • h: altura
• A mayor velocidad de deformación, mayor resistencia a la deformación.
• Esfuerzo de fluencia (gf): gf = C*e^m
  • C: consistencia de resistencia, e=1
  • m: exponente de sensibilidad a la velocidad de deformación
• Disminución de C: aumento de la T° del metal.
• Aumento de m: aumento de la T°, el material se alarga más antes de romperse.

2. Procesos de Laminación

Modifica la sección transversal en forma de barra, lingote, placa, alambre, tira, etc. Se realiza por pases entre cilindros (planos) o cilindros que contienen canales (no planos, L), tallados de manera compleja. La distancia entre los dos cilindros debe ser menor que el espesor inicial de la pieza metálica.

Deformación Plástica

Se parte con material en estado sólido, que se comprime o estira hasta adquirir la forma deseada.

• Diferencia de T°:
  • Caliente: >0,5Tm
  • Tibio: >0,35Tm
  • Frío:
• Alta productividad y control dimensional del acabado bastante preciso.
• La reducción inicial se produce en caliente para transformarlo en placas, rieles, tubos, etc.
• Luego, la laminación en frío proporciona un excelente acabado superficial, buenas propiedades mecánicas y un control dimensional riguroso.

Laminador Plano

:
Reducción de espesor: Draft = d =to-tf
Reducción = d/to
Draft máx = R*µ², mfrío = 0,1, mtibio = 0,2, mcaliente= 0,4
Esfuerzo real = e = ln(to/tf)
Longitud de contacto de los cilindros: L = ÖR(to-tf)
Fuerza de rodillos = F = gf*w*L, w: ancho de banda
Esfuerzo de fluencia promedio gf=( K*eⁿ)/1+n
Potencia= 2*p*n*F*L/396.000 Hp
= 2*p*n*F*L/60.000 Kw

Forma de reducir Fuerza y Potencia:
-Laminar en caliente para reducir coeficiente de resistencia y de endurecimiento
-Reducir el Draft de laminación
-Utilizar diámetros menores del laminador de trabajo
-Menos revoluciones para disminuir la potencia
-Aplicar tensiones a la lamina

Laminador en Caliente
-Laminador devastador: duo reversible, también se utilizan los universales para mejor terminación
-Producto: tolerancias amplias superficie con óxido, rugosidad entre 500 y 1000m
En caliente: chapas gruesas, láminas estiradas y bobinas
En frío: bobinas tajadas, bandas, bobinas de laminación, chapas finas

Linea de laminación en caliente:
-Horno de recalentamiento: a T°1300°C app
-Descamador dúo: con el fin de eliminar las escorias superficiales.
-Laminador universal cuarto reversible: sufre las mayores deformaciones reduciendo espesor.
-Rten de laminación: sigue reduciendo su espesor, obteniendo una banda de acero laminado en caliente.
-Se cortan las laminas en caliente rectangulares, bobinas tajadas y flejes, si no pasa por este proceso, pasa directo al laminado en frío

Laminador de forma: bigas I, perfiles y rieles.
Otras operaciones:
-Laminado forjado, forjado de rodillo
-Laminador inclinado: casi siempre esféricas
-Laminador de anillos: se ahora metal, orientación de granos, endurecimiento en F
-Laminador de rosca: alta producción, ahorro material, orientación del material, superficie fija, mayor resistencia a la fatiga por deformación de compresión.

Laminación en Frío:
-Láminas y flejes con acabado superficial y con tolerancias superiores al LC.
-El endurecimiento resultante puede aprovecharse para mayor resistencia
-Laminación continua, alta capacidad y bajo costo de producción.
-Reducción de 50 a 90%

Etapas del proceso:
-Línea de decapado continuo
-Laminado en frío (tándem) laminadores reductores
-Línea de limpieza electrolítica
-Baterías de horno de recocido, tratamiento térmico para recristalización, estático
-Líneas de recocido continúo: recristalización, dinámico.
-Laminadores de temple: pierde prop mecánicas en recocido, las recupera ahora.
-Líneas de trabajo en frío: permite cortar longitudinalmente.

Proceso del estaño:
-Líneas de preparación de bobinas
-Líneas de estaño y cromado electrolítico
-Líneas de corte de hojalata

Laminador de tubos sin costura:
-Horno para darle calor
-Empujado por 2 rodillos de perforado
-Tren de rolado
-Carretes
-Rodillos de calibrado

Laminador continúo de tubos:
-Perforado y transportado
-Al mandril laminador, reduce tamaño y espesor ( 9 estaciones)
-Calentado
-Laminadro- reductor- estirado (12 estaciones) reductor: espesor y diámetro

Forjado:
Proceso de deformación donde se comprime el material entre dos dados.
Forjabilidad: capacidad de un material de sobre llevar una deformación sin romperse.

Conformado en caliente: mediante grandes presiones:
-Intermitente (golpes)
-De forma continua ( prensado)
Dos posibilidades:
-Forja libre ( martillo y yunque)
-Forja con estampa (matrices)
Aumento de resistencia de las piezas
Efectos forja: eliminar cavidades, afinar el grano.
Ventajas del forjado: alta velocidad, mayor resistencia y orientación de granos de metal, conservación del metal.

Forjado dado Abierto: altura se reduce por compresión.
Fuerza max de operación = F = Kf*gf*A
A = p*D²/4
Deformación Unitaria = e = ln(ho/h)
Esfuerzo de fluencia = gf = K*eⁿ
Factor de forma(dado abierto) = Kf =1 + (0,4*µ*D)/ho

Forjado con dados: a altas T° ya que es mas maleable
Kf
6---- formas simples con rebaba
8---- formas complejas con rebaba
10--- formas muy complejas con rebaba
Sin rebaba
6---- acuñado
8---- formas complejas

Forjado sin Rebaba: forjado de precisión
Vol del material = Vol de cavidad
(aluminio, magnesio y aleaciones)

Recalcado o Recabezado: extremo de una varilla o alambre redondo
Cabezas de tornillos, pernos, remaches, clavos y además sujetadores.

Forjado Rotatorio: barra sólida o tubo se somete a fuerzas de impactos radiales, por serie de dador que giran alrededor de la pieza.
-Extrusión: se reduce el diámetro y/o espesor del tubo con uso de mandriles internos o sin el.

Materiales dados: aceros de herramientas: cromo, níquel, molibdeno, vanadio
Lubricación dados: forja caliente: grafito, bisulfuro de molibdeno, vidrio
Forja frío: aceites minerales y jabones a la pieza.

EXTRUSIÓN: formado por compresión, metal de trabajo esforzado a fluir a través de la abertura de un dado.
Características principales:
-Necesidades de grandes fuerzas de prensado
-Grandes reducciones de sección
-Proceso por el cual se modifica la geometría del cuerpo
Ventajas:
-Se puede extruir con gran variedad de formas, especialmente en caliente
-Estructura del grano y resistencia mejoran
-Posibles tolerancias muy estrechas, extrusión en frío
-Poco o ningún material de desperdicio.
Tipos:
-Directo: extruido en el mismo sentido del avance del émbolo. Con cascara para reducir el roce y eliminar superficie contaminado.
-Inverso Indirecto: en sentido contrario al avance, no hay roce. Limitado para barras y tubos, no permite la obtención de productos con secciones reducidas.
-Hidrostático: transmisión de presión al tarugo mediante un fluido hidráulico. Posibilidades de grandes reducciones de sección en frío debido a la reducción de la fricción.
Extrusión en caliente: para productos continuos semi acabados y acabados, grandes reducciones de sección en una sola etapa. Productos con longitud limitada.

Extrusión en frío: (bajo techo) piezas precisas, pequeñas reducciones de sección. Compite con la colada (extrusión más resistente y ligeras, no son porosas o frágiles) y la forja.
Ventajas:
-Mejores propiedades mecánicas
-Buen control de tolerancia dimensional
-Mejor acabado superficial
-Eliminación de la necesidad de calentar la palanquilla
-Capacidad y costos de producción competitivos.

Materiales para dados de extrusión:
Caliente: alta resistencia al desgaste, dureza en caliente, alta conductividad térmica para remover el calor.
Frío: resistencia al desgaste, buena disposición para retener su forma bajo esfuerzo.
Prensas hidráulicas:
Horizontales ---- caliente
Verticales ----- frío.
Análisis de Extrusión:
Relación de extrusión: rx = Ao/Af
Deformación ideal sin fricción y sin trabajo redundante
Deformación unitaria = e =ln(rx) con fricción = ex = a+b*ln(rx) a=0,8 y b= 1,2 a 1,5
Presión de Aplicación = P = gf*ln(r)
Esfuerzo promedio de fluencia = gf = (K*eⁿ)/(1+n)

Efecto Forma de Orificio:
Kx = 0,98 +0,02*(Cx/Cc)^2,25
Cx: perímetro de la sección transversal extruida
Cc: perímetro de un círculo de la misa área que la forma extruida.
Presión: indirecta: P = Kx*gf*ex
Directa: P = Kx*gf*(ex+(2L/D))
Fuerza = P*A
Potencia =F*V
Área extruida = completa - la parte que se saca
Área del circulo equivalente = p*D²/4= área extruida
P circulo = Cc= D*p

Extrusión por Impacto: la mayoría trabajadas en frío
Ventajas:
-Alta velocidad y carreras cortas
-El punzón golpea mas que presión
-Grandes reducciones

Estirado: la sección transversal se reduce al tirar el material, de barras y de alambre
Reducción de alambre = (Ai-Af)/Ai
Para diámetros grandes y barras d=Do-Df
Ventajas:
-Estrecho control dimensional
-Buen acabado superficial
-Mejora propiedad mecánica, dureza
-Producción en lote o más

Análisis:
Deformación unitaria: e = ln(Ao/Af)= ln (1/1-r)
Esfuerzo aplicable: s = gf¨*e= gf* ln (Ao/Af)
Fuerza requerida: F= Af*sd= Af* gd*(1+(µ/taná))*ö*ln(Ao/Af)
Ö= 0,88+12*(D/Lc)
D= (Do+Df)/2
Lc= (Do-Df)/(2*sená)
Trabajo de Láminas Metálicas:
Troquelado o estampado, sin producir virutas, se cambia la forma geométrica
1° corte o punzado (frío)
2° doblado y/o curvada (frío)
3° embutido (frío o caliente)
Trabajo en frío: alta resistencia, buena presencia dimensional, buen acabado superficial, bajo costo relativo.

Corte: por acción de cizalle entre los bordes afilados de corte
Prensa: cizalle, punzonado( la lámina debe tener espesor menor o igual al diámetro del punzon), perforado
Tajado y Ranurado: se puede tajar pasando la banda en forma continua por los rodillos
Punzón: diámetro agujero = Db
Diámetro punzón = Dh
Diámetro del punzón = Db - 2c
C: claro = distancia dado y punzón = C = a*t (tolerancia*espesor material)
Fuerza de corte: F= æ*t*L (resistencia*espesor*long del borde de corte)
Æ= 0,7*sr
Considerando roce F´=1,2*F

Doblado: deformación de un material alrededor de un eje recto, hay compresión y tracción (estirado)
A: angulo de doblado
R: radio de doblado
t: espesor
Deformación = d= 1/(2*R/t+1)
R= t*(60/r -1), Rmin= t*(50/r -1)
r = reducción del área de lámina metálica por tensión.

Doblado en bordes: ángulo de 90°, mas costoso, para trabajo de alta producción.
Doblado en V: baja producción, con prensas de continuo o plegadora.
Análisis:
Tolerancia del doblado: BA= 2*p* A/360*(R+Kba*e)
Kba: factor para el estirado R2e--- Kba=0,5
Recuperación elástica: SB= A-Ab/Ab
Fuerza de doblado: F= (Kbf*sf* w*e²)/D
Kbf: factor real por doblado = 1,33
W: ancho de lamina
sf: esfuerzo tensión
D: abertura
Largo de la pieza = L1+L2+BA
Bridado: lámina se dobla en 90° para formar un borde, es para reforzar o dar rigidez, eliminar bordes agudos y mejorar apariencia.
Formado por extensión: estiramiento, la lámina se sujeta en sus bordes y se estira.
Perfilado: alta producción, velocidad de laminación Doblado por tubos: tienden a romperse o deformarse, se utilizan mandriles, especiales para que soporten la operación
Rmin= 1,5 D, con mandril
Rmin= 3 D, sin mandril
Factor de Pared WF= D/e, WF aumenta, aumenta Rmin
Doblado por arrastre: para grandes producciones
Doblado por curvatura o con estiramiento: para radios pequeños de dobles y tubos de pared delgada
Doblado por compresión o con embutido: para grandes producciones.