Procesos de Conformado de Materiales Metálicos

CONFORMADO: Por medio de unas fuerzas se deforman plásticamente el material, dando forma a una pieza, es decir, conformando la pieza.

Conformado en Caliente vs. Conformado en Frío

CONFORMADO EN CALIENTE

  • Combina la deformación plástica por compresión con temperaturas elevadas, por encima de la temperatura de recristalización.
  • Presenta baja resistencia y gran plasticidad.
  • Produce alteración de la estructura interna, mejorando la resistencia y la tenacidad.
  • El acabado superficial no es tan bueno.

CONFORMADO EN FRÍO

  • Mediante deformación plástica por compresión a temperatura ambiente.
  • Se produce alineación y afino de grano, lo que aumenta su fragilidad.
  • Se utiliza el recocido para eliminar las tensiones.
  • El acabado superficial es bueno.

FORJA

Conformación por deformación plástica en la que se utilizan esfuerzos de compresión y energía térmica.

Fases de la Forja

  1. Calentamiento del metal: Debe ser uniforme, evitando diferencias de temperatura excesivas entre el núcleo y la periferia. La temperatura debe estar entre dos límites:
    • Máximo: Inferior a la temperatura de fusión del metal.
    • Mínimo: Superior a la temperatura de recristalización.
  2. Operaciones de forja: Operaciones de golpe o presión a las que se somete la pieza por la prensa, con o sin estampa.
    • Modifica su estructura por: Eliminación de defectos internos.
    • El aplastamiento de la masa del metal produce el aplastamiento interno, cuyas paredes quedan perfectamente soldadas.
    • Afinado del grano: Depende de la temperatura de trabajo y de la deformación sometida a la pieza. Logra disminuir el tamaño del grano y, en otros casos, una mejor disposición de las fibras para mejorar las propiedades mecánicas.
  3. Enfriamiento: Debe ser lento. Puede hacerse al aire. Para los aceros duros y especiales es mejor enfriar en el horno o en un lecho de cenizas.

Tipos de Forja

FORJA LIBRE

  • Es la forja industrial más antigua.
  • La deformación del metal no está limitada por su forma o masa.
  • Se utiliza para fabricar piezas únicas o pequeños lotes de piezas.
  • Sirve como preparación para utilizarlos en forjas por estampa.

FORJA CON ESTAMPA

  • Consiste en colocar la pieza entre dos matrices; al cerrarse, hay una cavidad con la forma que se desea obtener.
  • El material se deforma y adapta a las matrices hasta adquirir la forma deseada. No se puede deformar bien en una sola vez.
  • Distribuye el material en diversas zonas de la pieza bruta para darle la forma final.
  • En el acabado, con las estampas acabadoras, se lleva la pieza a su forma final.

Características de las Estampas

  • En la forja libre: Se utilizan utillajes planos, lo que permite el flujo libre en todas las direcciones menos en la de fuerza. La altura de una pieza sólida colocada entre la maza y el yunque se reduce por compresión.
  • En la estampación: Se utilizan utillajes no planos, que tienen el negativo de la pieza a forjar. Hay que aumentar las dimensiones para compensar la contracción y prever un desmoldeo para que la pieza se extraiga fácilmente.
  • Es preciso prever unas salidas de material para asegurar que el llenado de la estampa es correcto. La rebaba se eliminará en una operación posterior.
  • Es preciso escalonar la conformación de la pieza si su forma es difícil, lo que impide que la operación se haga de una sola vez.

Prensas (Hidráulicas y Mecánicas)

Aplican la presión sobre el material y proporcionan una deformación homogénea del material y mejores tolerancias que los martillos de impacto. Su capacidad viene definida por la fuerza disponible en la carrera de bajada de la estampa.

PRENSAS MECÁNICAS

  • Utilizan la energía almacenada en un volante de inercia para transferirla a la pieza mediante engranajes, cigüeñal, excéntricas o levas.
  • Tienen ciclos y carreras más cortos y menor capacidad de regulación.
  • Ideales para la producción de series largas.

PRENSAS HIDRÁULICAS

  • Accionadas por un cilindro hidráulico servo controlado, mantienen la velocidad del motor constante y varían la carga.
  • Tienen menor productividad.
  • Generan grandes fuerzas y ofrecen un control exhaustivo de la estampa superior.
  • Se usan para la forja libre de grandes piezas.

LAMINACIÓN

Es una forja continua que modifica una masa metálica pasándola entre rodillos que giran en sentido inverso. Normalmente se realiza en caliente. La laminación en frío adquiere acritud y debe someterse a recocido al final de la operación o de intermedias.

Proceso de Laminación

  • La temperatura tiene que ser superior a la recristalización del acero, se reorienta el grano y se consigue una rugosidad de 12-25 micras Ra.
  • Cuando se buscan tolerancias y acabados de por debajo de 3 micras Ra, se realiza un laminado en frío.

Tipos de Trenes de Laminación

  • Tren Blooming: Tren desbastador para el tratamiento de lingotes de acero. Produce el tocho de sección cuadrada, de 120 a 500 mm de sección. Los cilindros de Blooming llevan una serie de canales, cuya disposición y medidas varían según se trate del modelo europeo o americano.
  • Tren de palanquilla: Sirve para reducir el tocho, desbastado en el Blooming, convirtiéndolo en palanquilla, semiacabado de sección cuadrada de 40 a 125 mm.
  • Tren comercial: Sirve para la obtención de los perfiles laminados comerciales. Cuando sirve para laminar perfiles de grandes dimensiones, se llama tren estructural. El producto de partida es el tocho o palanquilla en sus diversas medidas.

EXTRUSIÓN

Empuja el material a través de una matriz, que es la responsable de la forma del producto resultante. Se utiliza para la fabricación de perfiles y tubos de sección constante en una amplia variedad de materiales. Se lleva a cabo en caliente, aunque algunos procesos son en frío.

Proceso de Extrusión

  1. Comienza con el calentamiento del material.
  2. Luego se carga dentro del contenedor de la prensa.
  3. Se coloca un bloque en la prensa para que sea empujado, haciéndolo pasar por un troquel.

EXTRUSIÓN EN CALIENTE

Se realiza a temperaturas elevadas, evitando así el trabajo forzado y facilitando el paso del material a través del troquel.

EXTRUSIÓN EN FRÍO

Se realiza alrededor de la temperatura ambiente. La ventaja es la falta de oxidación y tiene mayor fortaleza debido al trabajo en frío. Se consigue un buen acabado en la superficie. Sometido a breves calentamientos se consigue una rápida velocidad.

Tipos de Utillaje en Extrusión en Caliente

Matrices

Constan de varias piezas: matriz, contramatriz y portamatriz.

  • Matriz: Lleva el orificio con las medidas adecuadas a la pieza que se desea extruir, siendo cónico el resto para facilitar la deformación. Se fabrica en metal duro o acero aleado resistente al calor y al rozamiento.
  • Contramatriz: Bloque de acero de menor calidad que sirve de apoyo directo de la matriz. Tiene el mismo orificio pero con tolerancias amplias para que no roce el material.
  • Porta matriz: Sirve para alojar las dos piezas citadas y va sujeta al cabezal de la prensa.

Punzones

Deben resistir fuertes presiones axiales, así como el intenso rozamiento que se produce con el material trabajado. Se fabrican en aceros.

Discos de presión

Transmiten la presión del punzón al lingote. Generalmente son del mismo material que los punzones.

Contenedores

Absorben solicitaciones axiales muy fuertes, como el choque térmico producido por el tocho caliente y la deformación sufrida. Constan de 2 piezas: una externa zunchada y una camisa interna de acero. Los zunchos hacen trabajar la camisa a compresión y contrarrestan la tracción tangencial.

B) CONFORMADO EN FRÍO

Deformación plástica por compresión a temperatura ambiente. Hace falta un tratamiento de recocido para eliminar las tensiones. El acabado superficial que se obtiene es bueno.

1.- ESTIRADO DE TUBOS

Es una operación de deformación plástica en frío y para secciones redondas. Sus ventajas son:

  • Mayor control de las tolerancias: se puede obtener un IT muy bajo.
  • Se puede obtener muy buen acabado superficial.
  • Mejora en las propiedades mecánicas: mejora en la resistencia a flexión y mayor dureza.
  • Mayor capacidad de mecanización.

1.1- Descripción del Proceso de Estirado

  1. DECAPADO: Se limpia el material para eliminar el óxido.
  2. ESTIRADO: Se coloca el material en la máquina para empezar el proceso. En este proceso es decisivo el uso de lubricantes. En el estirado distinguimos dos procesos:
    • a) En el estirado de alambres (TREFILADO): una reducción del 50% del espesor en barras menores de 150 mm.
    • b) Para reducir el espesor de la pared de los tubos sin costura, los cuales se han producido por medio de otros procesos, como por ejemplo extrusión.
  3. ACABADO: Una vez estirado pasa por un proceso de enderezamiento y un ligero recocido de eliminación de tensiones, y si el caso lo requiere, algún tratamiento térmico.

El estirado y el trefilado requieren las siguientes condiciones:

  • Escalonamiento adecuado de las reducciones de sección.
  • Construcción de la matriz o hilera, según las exigencias del trabajo.
  • Material del tubo de buena calidad.
  • Utilización del lubricante adecuado.

1.2- Tipos de Utillajes y Máquinas en Conformado en Frío

El estirado se realiza en los denominados bancos de estirar, formados por una robusta bancada con una cabeza porta hilera, un carro de tracción provisto de mordaza para sujetar la barra y un dispositivo para desplazar el carro. Es muy frecuente utilizar bancos de estirado múltiples, generalmente de tres bancos.

La pieza, tras ser afilada, es introducida en el orificio de la hilera, sujetándose su extremo con una mordaza y procediéndose a estirar. La hilera es el órgano fundamental del estirado y su perfil longitudinal se puede dividir en cuatro partes:

  1. Embocadura: De ángulos definidos para facilitar la entrada de la pieza.
  2. Sección de reducción: Compuesta de tronco de cono reductor.
  3. Sección de calibrado: Cilíndrica, donde se ajusta bien el diámetro de la barra.
  4. Cono de salida: Tronco de cono con ángulo determinado.

CONFORMADO EN CHAPA

Es la obtención de piezas partiendo de chapa laminar por operaciones de doblado, corte y embutición.

Características del Conformado en Chapa

  • Formas complejas, excelentes acabados superficiales.
  • Piezas de elevada relación rigidez/peso.
  • Alta productividad.
  • Solo se justifican series largas (por el coste de utillajes y medios de producción).

Las industrias del automóvil, envases y electrodomésticos son grandes usuarias de dicho proceso.

Descripción del Doblado

GENERALIDADES

Consiste en obtener una pieza de chapa con generatrices y bordes rectilíneos, sin someter el material a grandes desplazamientos moleculares.

  • Doblez en ángulo vivo: Al doblar en arista viva se produce un adelgazamiento de la chapa.
  • Doblez en ángulo redondeado: Con un radio interior del valor del espesor de chapa, como mínimo, la disminución del espesor de la chapa en el doblez no sobrepasa el 20% de $e$. Si se hace el radio interior en 5 veces el espesor $e$, la disminución de dicho espesor solo alcanza el valor del 5% de $e$.

El adelgazamiento es clave en la reducción de resistencia de la chapa, donde se producen las roturas de la pieza. Las piezas dobladas tienden a recuperar su forma cuando el útil doblador deja de ejercer su acción; esto se le llama recuperación elástica después del doblado. La recuperación depende de varios factores:

  • A menor espesor, mayor ángulo de recuperación.
  • Depende del radio de curvatura: a mayor radio de curvatura le corresponde mayor ángulo de recuperación.

EL RADIO DE DOBLADO

Si el punzón y la matriz no tienen el radio de doblado necesario, se puede romper la chapa, dificultar la deformación y producir desgarro.

JUEGO ENTRE PUNZÓN Y MATRIZ

La separación entre punzón y matriz debe ser de: $1.1/10$ del espesor de chapa. Si se deja solamente el espesor $e$ de la chapa entre punzón y matriz, como el espesor no es exacto, podría ocasionarse el agarrotamiento del útil al efectuar el doblado y, en todo caso, se desarrollarían fuerzas de doblado muy superiores a las calculadas.

2.2- Descripción del Corte

El punzonado es una operación de corte de chapas o láminas, generalmente en frío, mediante un dispositivo mecánico formado por dos herramientas: el punzón y la matriz. La aplicación de una fuerza de compresión sobre el punzón obliga a este a penetrar en la chapa, creando una deformación elastoplástica inicial seguida de un cizallamiento y rotura del material.

2.2.1 Mecánica del corte

  1. Deformación: Los esfuerzos del punzón sobre la chapa originan en esta una deformación, inicialmente elástica y después plástica.
  2. Penetración: Los filos de corte del punzón y matriz penetran dentro del material, produciéndose grietas debido a la concentración de tensiones a lo largo de los filos de corte.
  3. Fractura: Las grietas originadas a uno y otro lado de la chapa se encuentran, originando la separación del material. El punzón continúa su descenso para expulsar el recorte. El juego de corte $J$ permite la penetración del punzón en la matriz y la expulsión del material cortado.

2.2.2 Características en los bordes de la chapa

  • Deformación plástica: Caracterizada por un pequeño radio $R$.
  • Zona bruñida: De aspecto brillante, caracterizada por el ancho $D$.
  • Fractura angular: Con aspecto mate, definida por la penetración $P$.
  • Rebaba: Caracterizada por su altura $H$.

2.2.3- Troquel de corte

El troquel de corte se compone de un punzón que al ejercer presión sobre la chapa produce un cizallamiento, originándose el corte. Se encuentra un pisador que no permite la deformación de la chapa y extrae la chapa del punzón; en algunos casos se encuentra un expulsor que extrae la pieza cortada.

2.2.4 Juego Matriz-Punzón

La calidad del corte depende del juego entre matriz y punzón.

  • Juego insuficiente: Se produce un corte secundario. Al disminuir el juego de corte se produce una mejora en la precisión de la pieza, sin embargo, el desgaste de las herramientas o la energía consumida se ven afectados negativamente.
  • Juego excesivo: Aparece una deformación plástica excesiva, una parte bruñida menor y una altura de rebaba mayor. Por otro lado, al aumentarlo, se reducen las fuerzas de corte y aumenta la vida de la herramienta.

El juego de corte apropiado será aquel que tenga una deformación plástica y altura de rebaba pequeñas. Esto ocurre cuando las grietas iniciadas desde el punzón y matriz se encuentran alineadas.

2.3- Embutición

La embutición consiste en formar, a golpe de prensa, recipientes partiendo de una chapa plana y conservando el objeto obtenido el mismo espesor que la chapa de partida. En el proceso se produce un gran desplazamiento molecular del material.

La embutición proporciona cierta acritud al metal, acritud que será mayor cuanto mayor sea la profundidad de embutición, puesto que en este caso, mayor será también el desplazamiento molecular. Al aumentar la acritud de un metal, su resistencia a la rotura aumenta, así como el límite elástico, aproximándose hasta la carga de rotura, mientras que el alargamiento se hace menor. Como consecuencia, el material se hace más duro y más frágil, pudiendo llegar a imposibilitar operaciones de doblado o de embutición.

Objetivo: Reducir el diámetro “D” al diámetro “d” durante la embutición, mediante fuerzas de compresión “T”, que son las que hacen fluir el material, originando ondulaciones que terminan en repliegues o arrugas si $d < 0.8 D$.