Tipos de motores en general

TEMA 4: TECNOLOGÍAS Y PROCESOS DE CONFORMADO CON CONSERVACIÓN DEL MATERIAL

1. INTRODUCCIÓN

En la ingeniería de fabricación se empieza un proyecto con el diseño del producto y se finaliza con su retirada o reciclado. En medio de esto nos encontramos con los procesos de fabricación, dividíéndose en no conformadores y de conformado, en estos últimos existe flujo de material:
En los procesos de conservación de material este flujo es directo (Me=Ms), en los procesos de eliminación de material el flujo es divergente (Me=Ms1+Ms2) y en los procesos de uníón y ensamblaje (con aportación de material) el flujo es convergente (Ms=Me+Me2).

• La consolidación por moldeo o fundición se realiza fundiendo material hasta alcanzar un estado semifluido y vertíéndolo en moldes que reproducen la forma de la pieza, entonces este material se enfría y solidifica.

• Los procesos de consolidación para las aleaciones metálicas se clasifican en función de la conservación o no del molde y modelo tras el proceso:
  

• Molde no permanente y modelo no reutilizable (moldeo a la cera perdida, moldeo evaporativo, moldeo de monocristales)
• Molde no permanente y modelo reutilizable (moldeo en arena, moldeo en cáscara, moldeo en cerámica)
• Moldeo permanente y sin modelo (moldeo en molde permanente, moldeo en matriz, moldeo centrífugo)

• Los procesos de consolidación para los polímeros se clasifican en función del tipo de polímero:

• Los termoplásticos pueden ser llevados al estado plástico y sucesivamente de nuevo al estado sólido sin que pierdan sensiblemente sus carácterísticas (extrusión, inyección, soplado, termoconformado)
• Los termoestables, al calentarse y someterse a elevadas presiones, provocan una reacción química que crea una reestructura de carácter irreversible de la molécula (compresión, pultrusión, bolsa de vacío, moldeo de transferencia)
• La fabricación aditiva (estereolotografía, deposición, impresión 3D, impresión por capas)

• La deformación plástica
• En la metalurgia de polvos o sinterizado, el material de inicio son polvos que se conforman con la geometría deseada

2. PROCESOS DE CONSOLIDACIÓN

Moldeo

El horno es el elemento encargado de proporcionar la temperatura necesaria para la fusión del material. Hay distintos tipos en función de la aleación a fundir (punto de fusión), tipo de vaciado o de llenado del molde, capacidad del horno, tamaño de las piezas, costes del horno (piezas/lote) y costes de mantenimiento y funcionamiento.

• Cubilote: horno cilíndrico vertical. Utilizado solamente en la fundición de hierro. Era el usado de forma más habitual y consume coque.
• Calentadores a fuego directo: el material se calienta con un pequeño hogar, el techo refleja la llama aumentando el calor. Suele usarse para metales no férreos como las aleaciones de cobre y aluminio y consume gas natural.
• Hornos de crisol: el metal se funde en un crisol sin estar en contacto con el combustible ni otra atmósfera. El material se extrae con una cuchara y consume aceite, gas o carbón.
• Hornos de acero eléctrico: el material se funde con el calor generado por un arco eléctrico. Se usa para fundiciones de acero y consume con altas tasas de fusión.
• Hornos de inducción: usa un campo magnético generado con una bobina para inducir la corriente y calentar el material. Óptimo para controlar el ambiente del material. Fundición de alta pureza.

El modelo es el prototipo de la pieza que se desea fabricar, hay que tener el cuenta el proceso y las consideraciones de diseño del tipo de proceso (contracciones, ángulos de desmoldeo), para minimizar los defectos hay que estudiar el diseño de la pieza, el material de donde se fabrica el modelo también dependerá del proceso. El molde es el elemento que tiene en su interior la cavidad con la forma de la pieza que se desea obtener, debe estar ajustado para compensar la posible contracción del material durante la solidificación, se fabrica de distintos materiales en función del proceso: arena, yeso, cerámica o metal, para prevenir defectos calentamos antes de hacer la colada y existen dos tipos: molde abierto (solo para lingotes) y molde cerrado. Sus elementos típicos son el bebedero, los canales de distribución, el ataque, mazarotas y corazón o macho.

Parámetros

Calidad en el moldeo

Defectología

• Llenado incompleto: la fundición solidifica antes de completar el llenado. Lo suele causar la insuficiente fluidez, el molde frío o la sección delgada.
• Junta fría: aparece cuando hay un enfriamiento prematuro en una zona debido a confluencia de flujos produciendo una uníón sin fusión.
• Gránulos fríos: salpicaduras del metal fundido que solidifican rápidamente y quedan atrapados formando glóbulos.
• Cavidad por contracción (rechupe): cavidad en una superficie debido a una contracción por solidificación. Falta de material al solidificar.
• Microporosidad: pequeños huecos distribuidos por la pieza provocado por una contracción en la solidificación de los extremos dendríticos.
• Agrietamiento caliente: se produce por una acumulación de tensiones en las zonas críticas provocadas durante la contracción

Los procesos de moldeo se clasifican en función

• Del molde:

• Desechable: necesitamos eliminar el molde para el desmoldeo. Un solo uso.
• Semi-permanente: no necesitamos eliminar el molde para el desmoldeo. Se degrada a partir de unos cuantos usos.
• Permanente: se usan para grandes lotes de piezas.

• Del tipo de colada (flujo)

• Natural: solo innterviene la gravedad para llenar el molde
• Forzada: por inyección (se usa la fuerza ejercida por un pistón para favorecer el llenado del molde) o porcentrífuga (se usa la fuerza ejercida por la rotación del molde para favorecer el llenado de este)

Moldeo de arena:

Propiedades

Proceso:

Moldeoen cáscara:
Molde desechable y modelo reutilizable. Flujo natural. Se crea un modelo por algún proceso de conformado, se le añade los canales de distribución, por volteo se añade una cáscara sobre el modelo, se monta la cáscara en un molde, se realiza la colada en la cácara y se abre el molde para extraer la pieza.

Moldeoala cera perdida:
Molde y modelo desechables. Flujo natural. Se crea un modelo en cera, se le añade los canales de distribución, el modelo se recubre de una capa de una mezcla de aglomerante y cerámica, se calienta en el horno para endurecer la cáscara y evaporar la cera, se realiza la colada en el molde en cascara y se desmoldea eliminando la cascara (molde)

Moldeo evaporativo:
Molde y modelo desechable. Flujo natural. Se crea un modelo en foam o algún material con punto de sublimación bajo, se le añade los canales de distribución, el modelo se recubre con una cascara o con arena, se realiza la colada en el molde sin retirar el modelo, por el calor del material fundido el modelo se evapora y se desmoldea eliminando el molde.

Moldeo rotativo o centrífugo:
Molde permanente o semipermanente y modelo reutilizable o desechable. Flujo forzado. Se crea un modelo, se crea el molde, se introduce el material fundido en una cavidad, el molde comienza a girar, el giro hace aparecer fuerzas que empujan el material contra la cavidad y se extrae la pieza.

Moldeo de inyección:
Molde permanente y no hay modelo. Flujo forzado. Se crea un molde por algún proceso de conformado, se le añade los canales de distribución, el modelo se cierra y se introduce el material fundido en la cavidad, un pistón ejerce una fuerza contra el material, cesa la fuerza y se enfría en el molde, por último se abre el molde para extraer la pieza.

Moldeo de inyección de plástico:
Molde permanente y no hay modelo. Flujo forzado. Se vierte el material plástico en la tolva, el tornillo sin fin comprime y calienta el material, el molde se cierra y se introduce el material fundido en la cavidad, el tornillo sin fin ejerce presión sobre el material, cesa la fuerza y se refrigera el molde, por último, se abre el molde para extraer la pieza.

3. PROCESOS DE CONFORMADO POR DEFORMACIÓN PLÁSTICA

La deformación plástica se usa para dar forma permanente al material, se usan herramientas (generalmente un troquel) para aplicar una tensión (compresión, tracción, cortadura o flexión) y llevar el material a su límite de fluencia y conformarlo. El éxito del proceso dependerá de la alta ductilidad del material, su baja resistencia a la fluencia y del diseño del proceso, cuanto más aumentemos la temperatura, mejor, pues aumentamos la maleabilidad. [frágil contrario a dúctil]

Las ventajas de este proceso son las geometrías difíciles que se obtienen, son económicos, ya que aprovecha el material y pueden obtenerse piezas muy grandes y muy pequeñas o grandes series y además las piezas obtenidas poseen una gran homogeneidad en lo que a propiedades se refiere, gracias a la distribución ordenada de granos.

Entre los inconvenientes esta los altos costes energéticos.

Estos procesos pueden ser llevados a cabo en frío (T< 0,3TF), entre las ventajas están la buena precisión dimensional y acabado superficial, el aumento de la resistencia y dureza de la pieza, consecuencia del endurecimiento por deformación, los granos alargados y el ahorro de energía térmica y mayores velocidades de producción. Los inconvenientes son la necesidad de equipos más robustos (mayores fuerzas y potencias) y solo se crearán piezas no muy complicadas, según la ductilidad del material.

en tibio (0,3TF<T<0,5TF)

en caliente
(T>0,5TF) entre las ventajas, encontramos los equipos menos robustos, piezas mucho más complejas y la posibilidad de conformar materiales poco dúctiles a temperatura ambiente. Los inconvenientes son la peor precisión dimensional y acabado superficial, la formación de óxidos en la superficie de la pieza, no hay aumento de la resistencia, ya que no hay endurecimiento por deformación, mayores requerimientos de energía térmica y más desgaste de las herramientas y por último, propiedades más isótropas (en función del grado de recristalización alcanzado).

Clasificación

• En la deformación volumétrica o global esta se produce en un volumen considerable de material en comparación con el total. Material de partida con relación al área y volumen es bajo y generalmente se hace en caliente. Estos procesos con aleaciones metálicas se clasifican en función de la familia de procesos:

Laminado: el más importante, casi siempre los materiales pasan alguna vez por este proceso. El material se trabaja mediante fuerzas de compresión ejercidas por unos rodillos, tiene un alto coste de instalación y depende de la tasa de producción su rentabilidad, casi siempre se trabaja el material en caliente por la cantidad de esfuerzo requerido, por lo que debemos cuidar las tolerancias y tras el proceso se requiere de una operación para la eliminación de óxidos. El laminado en plano es el proceso primario más importante. Consiste en reducir el espesor de una plancha para producir un producto más delgado y largo, dos rodillos impulsados son los encargados de reducir el espesor mientras se soportan en bastidores y su separación se puede ajustar, el producto terminado debe tener un espesor uniforme con una tolerancia +- 0,002 mm en los km de pieza obtenida. Para evitar las deflexiones de los rodillos se usan otros rodillos de soporte o de apoyo en el bastidor, el conjunto completo se denomina molino o tren de laminación, y si el proceso usa varios molinos se denomina tándem y si son 2 dúo. Cuando solo se usa uno el sentido se invierte entre pasadas. Debemos tener en cuenta el cambio microestructural a nivel de grano (orientación de la fibra). El laminado de secciones delgadas está limitado por la resistencia de los rodillos. Si el material a laminar es duro se requerirán rodillos de materiales especiales (WC) y lubricación. Los rodillos se comportan como vigas biempotradas, por lo que trenes de rodillo largos pueden producir piezas arqueadas, por la flexión de estos. Este efecto se puede minimizar dotando a los rodillos con formas de barril. La deformación no homogénea provoca debilidad en las piezas salvo que la deformación sea muy localizada en las capas externas. En este caso se produce una resistencia a la fatiga. Laminado de forma es el proceso de aplicación más amplia, ya que mediante este proceso se producen las formas estructurales más comunes como vigas y rieles. Las técnicas y molinos utilizados son muy similares a los del laminado plano, en este caso hay que tener especial cuidado con las elongaciones laterales, por lo que en determinadas ocasiones necesitamos ubicar en el tándem un rodillo de compresión lateral. Hay que tener especial cuidado si se desea realizar en frio ya que pueden producirse puntos de acumulación de tensiones. Laminado de anillos se usa para obtener anillos sin costura, son de gran importancia en piezas de revolución sometidas a fatiga, como las ruedas de las locomotoras o pistas de rodamiento. Laminado de cilindros se usa para la laminación de roscas, ya que mejora las propiedades mecánicas de los filetes gracias al endurecimiento por deformación.

Forja: proceso de conformado mediante la compresión del material entre dos matrices (tóqueles o estampas), en general una móvil y la otra fija, tiene una gran importancia para la industria del transporte, lo más común es la forja caliente aunque muchos productos son generados en frío. La aplicación del esfuerzo de compresión puede ser gradual o por impacto y se suele clasificar en función de los flujos de material: Forja abierta o libre: es el caso más simple de forja, consiste en comprimir el material entre dos matrices o troqueles planos, de esta forma se consigue la deformación en dos superficies. Debido al procedimiento, los equipos utilizados (prensa) son muy sencillos y en general baratos y permiten la producción de gran variedad de piezas y tamaños. Si las matrices o troqueles son de pequeña relación área/volumen se pueden conseguir practicar en las piezas identaciones o punzonados para la deformación localizada. Forja cerrada o estampado: en este caso las matrices no son planas, sino que tienen la forma en negativo que se desea imprimir a la pieza, una mayor complicación en la geometría que se desea obtener se traduce en una complicación en la matriz (estampas o troqueles). Estas deben tener un diseño que favorezca la retirada. La mayor prioridad del proceso es conseguir el llenado total de la cavidad. Si se permite al material fluir libre se tiene un estampado con rebaba (se realiza en un martinete que golpea sucesivamente una pieza para imprimir la forma de la estampa, la estampa al cerrarse permite al material fluir más allá de la cavidad produciendo una rebaba que después eliminaremos, esta tiene una función técnica ya que la fricción que origina con el troquel favorece el llenado de la cavidad) o sin rebaba. La limitación de este proceso está en la necesidad de liberar la forma de la matriz y favorecer la fluencia. Para una correcta obtención de las piezas, se debe evitar dobleces y pliegues, la deformación debe ser homogénea. El equipo usado es una maza, martillo, yunque o martinete (este consta de una estampa o matriz interior fija, pegada a un yunque, sobre la que se coloca el material de partida y se deja caer la estampa superior móvil, golpeando la pieza. Por lo tanto se usa la fuerza de impacto para conformar). A veces se usa la gravedad de la caída libre como fuerza impulsora, aunque actualmente suele asistir de pistones. La forja cerrada localizada, cabeceado o embutición se utiliza con un troquel cerrado para imprimir una forma a un tramo final de una barra, el proceso es muy similar al anterior y de esta forma se imprimen las cabezas a los tornillos y roblones.

Extrusión o estirado directa: se aplica una fuerza de compresión, que obliga al material a fluir a través de una matriz para deformar su sección, se puede extruir cualquier forma que requiera una sección constante, mejora la estructura del grano y las propiedades mecánicas, no se desperdicia apenas material, solo el tope (porción fina encerrada que no puede ser empujada). Genera una gran fricción, lo que provoca que sea necesario una gran fuerza impulsora, en caliente el efecto empeora por la aparición del óxido sobre la pieza extruida, este efecto se elimina con elementos auxiliares (bloque simulado). Permite obtener tubos utilizando un mandril interior, la forma inicial es obligatoriamente cilíndrica, y la final la que deseemos. El corazón de la prensa es la matriz o troquel que es el encargado de dar la forma al material (hileras), suelen estar fabricados de aceros aleados, aceros rápidos o carburos cementados. El factor tecnológico más decisivo son el ángulo de la matriz (troquel o dado) y la forma del orificio, un ángulo bajo provoca una mayor superficie de contacto pieza-matriz y una mayor fricción, un ángulo alto provoca turbulencias en el flujo y por tanto una mayor fuerza requerida. Se debe obtener el ángulo óptimo que dependerá del material y de la temperatura del proceso-lubricación. Se puede generar una extrusión constante estable por un periodo de tiempo indefinido, la única limitación es el material de partida. Extrusión o estirado indirecto: en este caso el troquel es móvil y es el que ejerce la fuerza contra el material de partida, que al empujar hace fluir el material a través de él, en este caso el tocho no se mueve, por lo tanto el área de fricción es menor y por lo tanto la tensión requerida disminuye. Al descender el área de fricción la presión permanece cte. La subida final está relacionada con la aparición del tope, material de desecho.

• En la deformación local o conformado de chapas esta se produce sobre una zona muy localizada del material. El resto de la pieza está sin deformar o con deformaciones elásticas. Material de partida en relación área y volumen alto. Generalmente se hace en frío.

Corte (perforado, cizallado rotativo, punzonado, perforado en matriz)

Plegado/embutición. Doblado y plegado. Deformación del metal alrededor de un eje recto sin provocar cambio de espesor, provoca un estado tensional típico de la flexión, tracción por encima de la fibra neutra y compresión por debajo. Mediante la aplicación de un punzón se aplica una fuerza a un material deformándolo plásticamente. El material adopta la forma definida por el punzón y la matriz. Las más comunes son en V y doblado de bordes, si se dobla a 180º se llama dobladillo. Embutición profunda. Operación de conformado que sirve para obtener piezas cilíndricas, cajas y otras formas huecas. Tanto la matriz como el punzón tienen formas redondeadas para prevenir posibles fallas por cortante. Pero a medida que avanza el punzón la curva se rectifica. Laminado de forma

Conformado. Estirado. La chapa se sujeta en los extremos por pisadores o mordazas sometíéndola a una tensión de tracción y un punzón ejecuta la fuerza de compresión gradual. La combinación de presiones de tracción y compresión hace que la pieza tenga una deformación plástica constante y una baja recuperación elástica lo que hace que, en un solo paso, la pieza sea válida. Puede lograr contornos suficientemente complejos. Hidrostático. Es un proceso cada vez más importante y de amplio uso en la industria actual por el excelente control que se puede realizar del proceso, mediante una fuerza uniforme se obliga a una pieza a adoptar la forma de una matriz cóncava. La fuerza es ejecutada por una cama hidráulica, lo que garantiza la ejecución de una fuerza constante y uniforme. Una capa de caucho es la encargada de transmitir la presión a los detalles de la pieza, por esto se obtienen piezas de gran complejidad. El problema es la recuperación elástica. Repulsado. Proceso de conformado giratorio. La matriz gira con una chapa de material fijada a él en una máquina similar a un torno y mediante un rodillo o punzón, se aplica una presión localizada que conforme el material. Es el proceso idóneo para conseguir piezas de revolución e incluso para conseguir reducir el espesor de la chapa y conformar a la vez-pulso magnético). Conformado superplástico