proceso de formado mecanico

1UNIDAD 3 GUA DIDCTICA DE PROCESOS DE FABRICACIN INSTITUTO TECNOLGICO DE DURANGO - EDUCACIN A DISTANCIA

Procesos de formado mecnico

Groover, Mikell p.(1997) Fundamentos de Manufactura Moderna (Materiales,

Procesos y Sistemas). Mxico.Prentice-Hall.

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3.2.- Procesos de formado mecnico. 1.- Prensado y Cizallado 2.- Doblado 3.- Estirado de alambres y barras

El formado de metales incluye varios procesos de manufactura en los cuales se usa la deformacin plstica para cambiar la forma de las piezas metlicas. La deformacin resulta del uso de una herramienta que usualmente es un dado para formar metales, el cual aplica esfuerzos que exceden el esfuerzo de cedencia del metal. Por tanto, el metal se deforma para tomar la forma que determina la geometra del dado.

En general, se aplica el esfuerzo de compresin para deformar plsticamente el metal. Sin embargo, algunos procesos de formado estiran el metal, mientras que otros lo doblan y otros ms lo cortan. Para formar exitosamente un metal, ste debe poseer ciertas propiedades. Las propiedades convenientes para el formado son generalmente una baja resistencia a la fluencia y alta ductilidad. Estas propiedades son afectadas por la temperatura. La ductilidad se incrementa y la resistencia a la fluencia se reduce cuando se aumenta la temperatura de trabajo. El efecto de la temperatura da lugar a la distincin entre:

1.- trabajo en fro, 2.-trabajo en caliente por debajo de la temperatura de recristalizacin y 3.- trabajo en caliente.

La velocidad de formacin y la friccin son factores adicionales que afectan el desempeo del formado de metales.

Los procesos de trabajo con lminas metlicas son operaciones de formado o preformado de lminas de metal, tiras y rollos. La relacin entre el rea superficial y el volumen del material inicial es alta; por lo que esta relacin es un medio til para distinguir la deformacin volumtrica de los procesos con lminas metlicas.

1.- Prensado y Cizallado

Prensado es el trmino que se aplica frecuentemente a las operaciones con lminas metlicas, debido a que las mquinas utilizadas para desempear estas operaciones son prensas (se usan tambin prensas de varios tipos en otros procesos de manufactura). La pieza producida en una operacin de laminado metlico se llama frecuentemente estampado.

Las operaciones con lminas metlicas se ejecutan siempre en fro y se utiliza un juego de herramientas llamadas punzn y dado. El punzn es la porcin positiva y el dado es la porcin negativa del juego de herramientas. Las operaciones bsicas con lminas de metal se describen en la figura 1 y se definen como sigue:

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FIGURA 1 Operaciones bsicas en el trabajo de lminas metlicas: (a) doblado, (b)

estirado y (c) corte; (1) al primer contacto del punzn con la lmina y (2) despus del corte. La fuerza y el movimiento relativo se indican por F y v.

Doblado. El doblado implica la deformacin de una lmina metlica o placa para que adopte un ngulo con respecto a un eje recto, en la mayora de los casos.

Embutido (estirado). En el trabajo de lminas metlicas, el embutido se refiere a la transformacin de una lmina plana de metal en una forma hueca o cncava, como una copa mediante el estirado del metal. Se usa un sujetador para mantener fija la plantilla, mientras el punzn empuja la lmina de metal, como se muestra en la figura 1 (b). Para distinguir esta operacin del estirado de barras y alambres, se usan frecuentemente los trminos embutido o estirado en copa o embutido profundo. Corte. Este proceso queda de alguna manera fuera de lugar en nuestra lista de procesos de deformacin, debido a que implica ms el corte que el formado del metal. En esta operacin se corta la parte usando un punzn y un dado, como se


muestra en la figura 1 (c), ste no es un proceso de formado es una operacin necesaria y muy comn en el trabajo de lminas metlicas.El trabajado metlico de lminas incluye operaciones de corte y formado, realizadas sobre lminas delgadas de metal. El espesor del material puede ser tan pequeo como varias milsimas de pulgada, pero la mayor parte de los espesores del metal estn entre 1/64 de pulg (0.4 mm) y 1/4 de pulg (6 mm). Cuando el espesor excede de 1/4 de pulg se le llama placa en lugar de lmina. El material de lmina o placa que se usa en el trabajo metlico de lminas se produce por un proceso de fabricacin llamado laminado.

La importancia comercial del trabajo con lminas es significativa. Recordemos por ejemplo el nmero de productos industriales y de consumo que incluyen partes de lmina metlica: carroceras de automviles y camiones, aeroplanos, carros de ferrocarril y locomotoras, equipo de construccin, equipo agrcola, utensilios pequeos y grandes, muebles para oficina, computadoras y equipo de oficina, etc. Aunque estos ejemplos son obvios debido a que tienen lmina en su exterior, muchos componentes internos de estos productos se hacen tambin de lminas o placas. Las partes de lmina de metal se caracterizan generalmente por su alta resistencia, buena precisin dimensional, buen acabado superficial y bajo costo relativo. Se pueden disear operaciones de produccin masiva de lmina para las grandes cantidades de componentes que se requieren en muchos de los productos arriba mencionados.

La mayora de los procesos con lminas metlicas se realizan a temperatura ambiente (trabajo en fro). Excepto cuando el material es grueso, frgil o la deformacin es significativa. stos son los casos usuales de trabajo en tibio (1/3 de la temperatura de fusin, Tm) ms que trabajo en caliente.Las tres grandes categoras de los procesos de lminas metlicas son: 1) corte, 2) doblado y 3) embutido. El corte se usa para separar lminas grandes en piezas menores, para cortar un permetro o hacer agujeros en una parte.El doblado y el embutido se usan para transformar lminas de metal en partes de forma especial.

Las herramientas que se usan para realizar el trabajo de lminas se llaman punzn y dado, la mayora de las operaciones con lminas metlicas se ejecutan en mquinas herramienta llamadas prensas. Se usa el trmino prensa de troquelado para distinguir estas prensas de las prensas de forjado y extrusin. Los productos hechos de lmina se llaman troquelados o estampados.

Para facilitar la produccin en masa, las lminas de metal se introducen en la prensas frecuentemente en forma de tiras o rollos.

El corte de lmina se realiza por una accin de cizalla entre dos bordes afilados de corte. La accin de cizalla se describe en los cuatro pasos esquematizados en la figura 2, donde el borde superior de corte (el punzn) se mueve hacia abajo sobrepasando el borde estacionario inferior de corte (el dado).


Cuando el punzn empieza a empujar el material de trabajo, ocurre una deformacin plstica en las superficies de la lmina, conforme ste se mueve hacia abajo ocurre la penetracin, en la cual comprime la lmina y corta el metal. Esta zona de penetracin es generalmente una tercera parte del espesor de la lmina. A medida que el punzn contina su viaje dentro del trabajo, se inicia la fractura en el trabajo entre los dos bordes de corte. Si el claro entre el punzn y el dado es correcto, las dos lneas de fractura se encuentran y el resultado es una separacin limpia del trabajo en dos piezas.

Figura 2 Cizallado o corte de una lmina metlica entre dos bordes cortantes: (1)

inmediatamente antes de que el punzn entre en contacto con el material, (2) el punzn comienza a oprimir el material de trabajo causando deformacin plstica, (3) el punzn

comprime y penetra en el material de trabajo formando una superficie lisa de corte y (4) se inicia la fractura entre los dos bordes de corte opuestos que separan la lmina.

Los smbolos v y F indican velocidad y fuerza aplicada, respectivamente.

Los bordes cizallados de la lmina tienen formas caractersticas que se muestran en la figura 3.


Encima de la superficie de corte hay una regin que se llama redondeado. ste corresponde a la depresin hecha por el punzn en el trabajo antes de empezar el corte.

Figura 3 Bordes cizallados caractersticos del material de trabajo

Aqu es donde empieza la deformacin plstica del trabajo; justo abajo del redondeado hay una regin relativamente lisa llamada bruido. sta resulta de la penetracin del punzn en el material antes de empezar la fractura. Debajo del bruido est la zona de fractura, una superficie relativamente tosca del borde de corte donde el movimiento continuo del punzn hacia abajo causa la fractura del metal. Finalmente al fondo del borde est la rebaba, un filo causado por la elongacin del metal durante la separacin final de las dos piezas.

Hay tres operaciones principales en el trabajo de prensa que cortan el metal por el mecanismo de cizalla que acabamos de describir: 1.- el cizallado, 2.- el punzonado y 3.- el perforado.

El cizallado es la operacin de corte de una lmina de metal a lo largo de una lnea recta entre dos bordes de corte como se muestra en la figura 4 (a). El cizallado se usa tpicamente para reducir grandes lminas a secciones ms pequeas para operaciones posteriores de prensado. Se ejecuta en una mquina llamada cizalla de potencia o cizalla recta. La cuchilla superior de la cizalla de potencia est frecuentemente sesgada, como se muestra en la figura 4 (b), para reducir la fuerza requerida de corte.


FIGURA 4 Operacin de cizallado: (a) vista lateral de la operacin, (b) vista frontal de la cizalla equipada con una cuchilla superior sesgada. El smbolo v indica velocidad.

El punzonado (blanking) implica el corte de una lmina de metal a lo largo de una lnea cerrada en un solo paso para separar la pieza del material circundante, como se muestra en la figura 5 (a). La parte que se corta es el producto deseado en la operacin y se designa como la parte o pieza deseada.

Figura 5.- (a) Punzonado (blanking) y (b) perforado (punching)

El perforado (punching) es muy similar al punzonado, excepto que la pieza que se corta se desecha y se llama pedacera. El material remanente es la parte deseada. La distincin se ilustra en la figura 5 (b).


Anlisis del fenmeno de corte de lminas metlicas

Los parmetros importantes en el corte de lminas metlicas son: 1.- el claro entre el punzn y el dado; 2.- el espesor del material; 3.- el tipo de metal y su resistencia; 4.- la longitud del corte. El Claro.- En una operacin de corte, el claro c es la distancia entre el punzn y el dado, tal como se muestra en la figura 2 (1). Los claros tpicos en el prensado convencional fluctan entre 4 y 8% del espesor de la lmina metlica t. El efecto de los claros inapropiados se ilustra en la figura 6.

FIGURA 6 Efecto del claro: (a) un claro demasiado pequeo ocasiona una fractura poco menos que ptima y fuerzas excesivas, (b) un claro demasiado grande ocasiona rebaba

ms grande. Los smbolos v y F indican velocidad y fuerza aplicada respectivamente.

Si el claro es demasiado pequeo, las lneas de fractura tienden a pasar una sobre otra, causando un doble bruido y requiriendo mayor fuerza de corte. Si el claro es demasiado grande, los bordes de corte pellizcan el metal y resulta una rebaba excesiva. En operaciones especiales que requieren bordes muy rectos como en el rasurado y el perforado el claro es solamente el 1 % del espesor del material.

El claro correcto depende del tipo de lmina y de su espesor. El claro recomendado se puede calcular por la siguiente frmula:

c = a t ec. 1

Donde: c = claro, pulg (mm); a = tolerancia; t = espesor del material, pulg (mm). La tolerancia se determina de acuerdo con el tipo de metal. Los metales se clasifican por conveniencia en tres tipos dados en la tabla 1 con un valor de a asociado a cada grupo.


Los valores calculados del claro se pueden aplicar al punzonado convencional y a las operaciones de perforado de agujeros para determinar el tamao del punzn y del dado adecuado. Es evidente que la abertura del dado debe ser siempre ms grande que el tamao del punzn. La adicin del valor del claro al tamao del dado o su resta del tamao del punzn depende de que la parte que se corta sea un disco o pedacera, como se ilustra en la figura 7 para una parte circular.

Figura 7.- El tamao del dado determina el tamao de la forma Db.El tamao del punzn determina el tamao del agujero Dh

Debido a la geometra del borde cizallado, la dimensin exterior de la parte que se corta de la lmina ser ms grande que el tamao del agujero, por tanto, el tamao del punzn y del dado para una forma o parte redonda de dimetro Db se determina como sigue:


Dimetro del punzn de corte de formas = Db - 2 c ec. 2Dimetro del dado de corte de formas = Db ec. 3

Los tamaos del dado y del punzn para un agujero redondo de dimetro Dh se determinan como sigue:

Dimetro del punzn para corte de agujeros = Dh ec. 4Dimetro del dado para corte de agujeros = Dh + 2c ec. 5

Para que las formas o la pedacera caigan a travs del dado, la abertura del dado debe tener un claro angular entre 0.25 y 1.5 de cada lado. El claro angular se muestra en la figura 8.

Figura No. 8.- Definicin de claro angular

Fuerzas de corte Es importante estimar la fuerza de corte porque sta determina el tamao (tonelaje) de la prensa necesaria. La fuerza de corte F en el trabajo de lminas puede determinarse por:

F = S t L ec. 6

Donde S = resistencia al corte de la lmina, Ib/pulg2 (MPa); t = espesor del material, pulg (mm); y L = longitud del borde de corte, pulg (mm). En el punzonado, perforado, ranurado y operaciones similares, L es la longitud del permetro de la forma o agujero que se corta. En la determinacin de L se puede anular el efecto menor del claro.

Si se desconoce la resistencia al corte, se puede estimar la fuerza de corte mediante el uso de la resistencia a la tensin, de la siguiente manera:

F = 0.7 (T S) t L ec. 7

Donde TS = resistencia ltima a la tensin, lb/pulg2 (MPa).


La ecuacin anterior estima la fuerza de corte, suponiendo que el corte entero se hace al mismo tiempo a todo lo largo del borde de corte. En este caso la fuerza de corte ser un mximo. Es posible reducir la fuerza mxima usando un borde de corte sesgado en el punzn o en el dado como se muestra en la figura 4 (b). El ngulo (llamado ngulo de corte) distribuye el corte en tiempo y reduce la fuerza que se experimenta a cada momento. De cualquier manera, la energa total requerida en la operacin es la misma, ya sea que se concentre en un breve momento o se distribuya sobre un periodo ms largo.

Ejemplo de clculo. Claro en el punzonado y fuerza

Se corta un disco de 3 pulg de dimetro de una tira de acero laminado en fro medio endurecido 1/8 de pulg de grueso, cuya resistencia al corte = 45 000 lb/pulg2. Determine a) los dimetros apropiados del punzn y del dado y b) la fuerza de corte.

Solucin: a) La tolerancia del claro para acero laminado en fro de dureza media es a =0.075 tabla 22.1. Por consiguiente, el claro es:

c = 0.075(0.125 pulg.) = 0.0094 pulg.

El disco tendr 3.0 pulg de dimetro, y el tamao del dado determina el tamao de la forma, por lo tanto,

Dimetro de la abertura del dado = 3.000 pulg

Dimetro del punzn = 3.000 - 2(0.0094) = 2.9812 pulgb) para determinar la fuerza de corte, se asume que el permetro entero de la forma se corta en una sola operacin. La longitud del borde de corte es:

L = Db = 3.142(3.0) = 9.426 pulg

y la fuerza es:

F = 45,000 (9.426) (0.125) = 53,021 lb o 26.51 toneladas

2.- Doblado

El campo de aplicacin y la importancia comercial del trabajo con lminas metlicas son en la actualidad muy significativos, tomemos en cuenta el nmero de productos industriales y de consumo que incluyen partes de lmina metlica: carroceras de automviles y camiones, aeroplanos, carros de ferrocarril equipo de construccin, equipo agrcola , utensilios, muebles para oficina, muebles para el hogar, etc.

La mayora de los trabajos con lamina metlica son en fro, solo en los casos que el material sea frgil o el espesor de la lamina sea grande o la cantidad de deformacin que tendr la lamina sea grande; se prefiere el trabajo en caliente (la temperatura para el trabajo en caliente es mas o menos 1/3 de la temperatura de fusin del material (Tm) de la lamina).


Las herramientas que se utilizan para el doblado de lmina se llaman punzn y dado y las maquinas herramientas empleadas se llaman prensas, aunque es mas conocido el termino de prensa de troquelado. A los productos obtenidos con esta operacin se les llaman troquelados o estampados.

Definicin.- el doblado de lminas metlicas es la deformacin del metal alrededor de un eje recto, durante la operacin de doblado el metal dentro del eje neutro se comprime, mientras que el metal fuera del eje neutro se estira, lo anterior se explica en la figura No. 9

Figura No. 9 (a) doblado de lmina metlica, (b) durante el doblado ocurre

deformacin, en el lado de tensin aumenta la longitud, en el lado de compresin disminuye la longitud.

La lmina metlica es deformada hasta la zona plstica (zona en la que los materiales dctiles como nuestra lamina ya no se recuperan, se deforman permanentemente) as que el doblez toma una forma permanente cuando cesan los esfuerzos que la doblaron. El doblado de la lmina ocurre con un imperceptible cambio en el espesor de la lmina.

En las operaciones de doblado se utilizan como herramientas de trabajo diversos tipos de dados y punzones. Los dos mtodos de doblado ms comunes y las herramientas utilizadas son el doblado en V y el doblado de bordes realizado con un dado deslizante estn representados en la figura 10.


Figura No. 10 mtodos comunes de doblado, (a) doblado en V y (b) doblado de bordes; (1) antes y (2) despus del doblado.

F= fuerza de doblado aplicada, v= velocidad, Fh= fuerza de sujecin.

Doblado en V.- en esta operacin la lmina de metal se dobla entre un punzn y un dado en forma de V, los ngulos obtenidos con este doblez pueden ser desde muy obtusos hasta muy agudos, los dados en V son relativamente sencillos y de bajo costo. Se utilizan para operaciones de baja produccin.

Doblado de bordes.- en esta operacin se aplica una carga voladiza sobre la lmina de metal, se emplea adems una placa de presin que ejerce una fuerza de sujecin Fh para sostener una parte de la pieza contra el dado mientras el punzn fuerza la parte volada para doblarla sobre el borde de un dado. Como esta ilustrado en la figura No. 10 el doblado solo se puede hacer a 90 o menores. Los dados deslizantes tienen un costo adicional, son un poco ms complicados debido al tipo de diseo empleado en su construccin, ya que a la vez que el dado deslizante desciende el sujetador debe efectuar su presin para sujetar la pieza contra el dado.

Tomando como base la figura No. 9, estableceremos algunas ecuaciones tiles para entender mejor la operacin de doblado. La lmina de metal tiene un espesor t y va a ser doblada un ngulo A, llamado ngulo de doblado, despus de la operacin de doblado tenemos una lamina de metal con un ngulo interno A; de tal manera que A + A = 180.El radio de doblez R se mide sobre la parte interna, y es igual al radio de la herramienta (punzn) que se emplea en la operacin, el doblado se lleva a cabo a travs del eje de doblado es decir a lo largo del ancho de la pieza w.

Tolerancia de doblado.- Observando la figura No. 9 (b) establecemos lo siguiente: el eje neutro no se deforma (no altera su longitud) , en la zona de compresin el metal se comprime (se reduce su longitud) y en la zona de tensin el metal se estira (aumenta su longitud) . Por lo tanto el radio de doblado R debe tener un valor adecuado, cuando es muy pequeo la lamina de metal se deforma


considerablemente (en la zona de compresin grandes reducciones y en la zona de tensin grandes aumentos de longitud). Es necesario poder determinar la longitud del eje neutro antes del doblado para tomar en cuenta el aumento de longitud de la seccin que se esta doblando, esta longitud se llama tolerancia de doblado. Se puede estimar su clculo de la siguiente manera:

Td = 2 (A/360) (R + KTd t) . ec. 8Donde: Td = tolerancia de doblado, pulg. (mm.) A = ngulo de doblado en grados R = radio de doblado, pulg. (mm.) T = espesor del material, pulg. (mm.) Ktd = factor para estimar el estirado; si R < 2t , Ktd = 0.33 si R 2t , Ktd = 0.5

Estos valores para Ktd predicen que el estiramiento (deformacin) ocurre solamente si el radio de doblado es ms pequeo en relacin con el espesor de la lmina.

Recuperacin elstica.- la recuperacin elstica ocurre cuando la fuerza ejercida por el pistn de doblado es retirada, la explicacin esta en el hecho de que el material cuando esta siendo doblado genera su energa de deformacin, cesa la fuerza de doblado, el material se recupera parcialmente y se define como el incremento del ngulo que existe en el material doblado despus que se retire la herramienta (punzn). Este fenmeno de recuperacin se ilustra en la figura 11, se calcula de la siguiente manera: Re = (A - Ab) / Ab ec. 9Donde: Re = recuperacin elstica A = ngulo medido en la lamina metlica, en grados Ab = ngulo medido en la herramienta de doblado, en grados

Para corregir este pequeo inconveniente de la recuperacin elstica se recurre a dos mtodos; el primero se llama sobredoblado, el ngulo del punzn y su radio se fabrican ligeramente menores que el ngulo especificado (el porcentaje dado por la ecuacin 9 es de tomarse en cuenta para saber que tanto hay que disminuir).


Figura No. 11 La recuperacin elstica en el doblado se manifiesta como una

disminucin en el ngulo de doblado A`b y un incremento del radio de doblado Rb

(1) durante la operacin la lamina es forzada a tomar el radio Rb y el ngulo A`b (2) una vez que se retira el punzn, la lamina regresa al radio R y al ngulo A`

El segundo se llama fondeado y consiste en aplicarle una fuerza adicional despus de llegar el punzn al final de la carrera de doblado para propiciar su deformacin permanente (no es recomendable este mtodo).

Fuerza de doblado.- esta fuerza es una funcin de la geometra del punzn y del dado y desde luego de las propiedades mecnicas del material tales como: ultima resistencia del material, espesor t y ancho de la lamina w que se va a doblar.

Para su clculo se utiliza la siguiente ecuacin:

F = (Kbf. Sult. w. t) / D ec. 10

Donde:

F = fuerza de doblado, lb. (Newton) Sult = ultima resistencia del material, lb. / pulg. (MPa) w = ancho de la lamina en la direccin del eje de doblez, pulg. (mm.) t = espesor de la lamina de metal, pulg. (mm.) D = dimensin del dado, pulg. (mm. ) , la dimensin de D se toma segn la figura 12 Kbf = es una constante de calculo y tiene el valor de : para doblado en V, Kbf = 1.33 para doblado de bordes , Kbf= 0.33


Figura No. 12 Localizacin de la dimensin D

(a) Dado en V (b) dado deslizante

Ejemplo de clculo:

Se dobla una pieza de lmina de acero como se muestra en la figura siguienteLas caractersticas de la lmina de acero son las siguientes:E = modulo de elasticidad = 30 000 000 lb./pulg. (206,896.55 Mpa)Syp = esfuerzo de cedencia del material = 40,000 lb./pulg. (275.86 Mpa)Sult = Ultima resistencia del material = 65,000 lb./pulg (448.22 Mpa)

Determinar:a) tamao inicial de la piezab) la fuerza de doblado, si se usa un dado en V con una abertura D=1.0 pulg

(NOTA: intente la solucin del ejemplo de clculo anterior. Si tiene dificultades vincule a solucin ejemplo de calculo (doblado)).

3.- Estirado de alambres y barras.

El estirado es un trmino que se usa tambin en el trabajo de lminas metlicas, el proceso se conoce como: estirado de lminas metlicas; este proceso conocido tambin como embutido podra confundirse con el proceso que vamos a tratar, por lo cual para distinguirlo se emplea el trmino de estirado de alambres y barras.

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Las caractersticas generales del proceso son similares a la extrusin, la diferencia esta en que en el estirado, el material de trabajo se jala a travs del dado, mientras que en la extrusin se empuja a travs del dado. Es decir, cuando se habla de extrusin no podemos dejar de mencionar esta variante de la extrusin que es el estirado de alambres y barras.La diferencia bsica entre el estirado de barras y estirado de alambres es el tamao del material que se procesa. El estirado de barras se refiere al material de dimetro grande, mientras que el estirado de alambre se refiere a material de dimetro pequeo.

Con el proceso de estirado de alambres se pueden obtener dimetros hasta de 0.001 pulg. (0.025 mm).

El estirado de barras se realiza como una operacin de estirado simple, en la cual el material se jala a travs de la abertura del dado. Debido a que el material de trabajo tiene un dimetro grande, la alimentacin a la maquina es mas bien en barras (no en rollos) esta situacin limita la longitud de trabajo por lo que es conveniente trabajar en forma de lotes.

El estirado de alambres en cambio se alimenta con rollos de alambre de varios cientos de metros de longitud que pasan a travs de una serie de dados. El numero de dados varia de cuatro a doce. Esquemticamente el arreglo mecnico para el estirado de varillas y alambre se representa en la Fig. No 13.

Para medir la efectividad de una operacin de estirado se utiliza el porcentaje de reduccin de las reas original y final, esto es:

r = (Ao Af) / Ao = (Do Df) / Do, ec. 11

Figura No. 13, Estirado de barras, varillas o alambre


Donde: r = reduccin del rea en el estirado Ao = rea original del metal de trabajo, pulg. (mm.) Af = rea final del metal de trabajo, pulg. (mm.) Do = dimetro original del alambre, pulg. (mm.) Df = dimetro final del alambre, pulg. (mm.)

El valor de r generalmente se expresa como porcentaje.Reduccin mxima por ciclo.

La reduccin mxima por ciclo es aquella en que el alambre pasa a travs del dado o grupo de dados para ser estirado. La reduccin mxima de dimetros en el estirado de alambre esta limitado por el esfuerzo de cedencia del material (recordar que el esfuerzo de cedencia de un material dctil es el punto de esfuerzo en el cual el material ya no se recupera, es decir el material ya no sigue la ley de Hooke).

Si aumentamos la cantidad de reduccin, en la misma proporcin aumenta el esfuerzo necesario para estirarlo. Si estos esfuerzos de estirado son mayores que el esfuerzo de cedencia del material, el material del alambre simplemente se alarga, es decir se deforma permanentemente. Entonces concluyendo, para que el estirado de alambre sea exitoso, el esfuerzo mximo de estirado debe ser menor que el esfuerzo de cedencia del material del alambre.

Entonces, determinado ese esfuerzo mximo de estirado, fcilmente se puede calcular el rea mnima de estirado Af, o bien el dimetro final del alambre Df.Si no ocurre friccin o trabajo redundante en el estirado (el trabajo redundante se genera debido al esfuerzo de compresin a que esta sujeto el metal de trabajo sobre el dado de estirado), la deformacin real (def) del alambre puede determinarse as: def = ln (Ao / Af) = ln ( 1 / (1 - r )) ec 12 El esfuerzo de tensin que resulta de la deformacin anterior se calcula de la siguiente manera: St = Syp x def = Syp x ln (Ao / Af) ec 13Donde:

St = Esfuerzo de tensin a que esta sujeto el alambre, lb/pulg (Mpa) Syp = Esfuerzo de cedencia del material del alambre, lb/pulg (Mpa) def = Deformacin real del alambre, pulg. (mm.) ln = Logaritmo neperiano de base e , ( e = 2.7183)

Supongamos el caso ideal de un metal completamente plstico, sin friccin y sin trabajo redundante, en estas condiciones el esfuerzo de estirado mximo posible es igual al esfuerzo de cedencia del material del alambre, esto es:


St = Syp x ln(Ao / Af) = Syp x ln( 1 /(1 r)) = Syp ec 14

La simplificacin matemtica anterior se lleva a cabo puesto que:

ln(Ao /Af) = ln( 1 /(1 r)) = 1 ; entonces Ao /Af = 1 / (1 r) = 1 ec 15

esto quiere decir que la deformacin mxima posible es 1.0es decir defmax =1.0de la ec.12, tenemos

la relacin mxima posible de rea es: Ao/Af = e = 2.7183 Despejando a Ao tenemos: Ao = Af x e

y la reduccin mxima de reas posible es :

rmax = (Ao Af) / Ao = (Af x e Af) / Af x e = Af ( e 1)/ Af x e = (e -1) / e

rmax = (2.7183 -1) / 2.7183 = 0.6321 = 63.21 % El valor obtenido por la ecuacin anterior se utiliza frecuentemente como la reduccin terica mxima en un solo paso, aunque recordemos que como es un caso ideal se hicieron las siguientes consideraciones:

1.- No existe friccin entre el dado y el material del alambre.2.- No se genera trabajo redundante.3.- No hay endurecimiento por deformacin, que podra incrementar la reduccin mxima posible debido a que el alambre a la salida podra ser mas resistente que el metal inicial.

En la prctica industrial las reducciones por paso estn por debajo de los lmites tericos (63.21 %), se emplean los siguientes indicadores:

-estirado simple de barras 50 %-estirado mltiple de alambre 30 %

Esfuerzo y Fuerza de estirado.- Para calcular la fuerza de estirado para un material determinado existen algunos mtodos; el mas utilizado por la exactitud de sus resultados es el que sugiere Schey, J. A. Introduction to Manufacturing Processes, 2. Ed. Macgraw Hill, Chapter 4.

Ecuacin 16


Sd = Esfuerzo de estirado, lb / pulg2 (MPa) = coeficiente de friccin dado-material de trabajo = ngulo del dado (medio ngulo, como se define en la figura No. 13) = factor que se utiliza para deformacin no homognea; el cual puede ser determinado as: = 0.88 + 0.12 (D / Lc) ; donde

D = dimetro promedio del material de trabajo durante el estirado, pulg (mm)Lc = longitud de contacto del material de trabajo con el dado de estirado, definido en la figura 13, pulg (mm) Y entonces, la fuerza de estirado F, ser el rea de la seccin transversal del material estirado Af, multiplicada por el esfuerzo de estirado Sd:

Ecuacin 17

Ejemplo de clculo:

Un alambre se estira a travs de un dado de estirado con un ngulo de entrada = 15. El dimetro inicial es de 0.100 pulg y el dimetro final de 0.080 pulg. El coeficiente de friccin en la interfase dado-material de trabajo es de 0.07 . El metal tiene un esfuerzo de cedencia de 30 000 lb / pulg2.

Determinar el esfuerzo de estirado y la fuerza de estirado de la operacin.

Solucin:

= 0.88 + 0.12 (0.090 / 0.0386)= 1.16

Las reas antes y despus del estirado son:


La deformacin real resultante es

Y la fuerza de estirado es:

Proceso de estirado de alambres y barras.

El estirado es un proceso que se realiza en fro, con algunas excepciones. Su uso ms frecuente es para la produccin de secciones circulares aunque no es limitativo a esta seccin circular.

El estirado de alambre es un proceso industrial importante que produce productos comerciales como cables y alambres elctricos, alambre para cercas, ganchos de ropa y carros de supermercado; varillas para fabricar clavos, tornillos, remaches y otros artculos de ferretera

El estirado de barras se utiliza para producir barras de metal para maquinado y para otros procesos.

Las ventajas de fabricar los artculos anteriores con este proceso de estirado son:

1.- Estricto control dimensional.2.- Excelente acabado superficial.3.- Mejores propiedades mecnicas y fsicas, tales como resistencia y dureza4.- Adaptabilidad para produccin en masa o en lotes; las velocidades de estirado son tan altas como 10000 pies/min. (50 mts/seg.) para alambre muy fino (0.001 pulg.)5.- En el caso de barras, la operacin de estirado, mejora la maquinabilidad.


Equipo utilizado.

El estirado de barras se realiza sobre una maquina llamada banco de estirado, es una mesa de entrada, un bastidor del dado, la corredera y el armazn de salida, dispuestos como en la figura No. 18

Figura No. 14 Banco de estirado operado hidrulicamente para el estirado de barras metlicas.

La corredera se usa para jalar el material a travs del dado, esta accionada por cilindros hidrulicos o por cadena y catarina. El bastidor del dado se disea para contener ms de un dado de manera que se pueden estirar simultneamente varias barras a travs de los respectivos dados.

El estirado de alambre se efecta sobre maquinas estiradoras continuas, que contienen mltiples dados de estirado, separados por tambores de almacenamiento temporal. Cada tambor llamado cabrestante es movido por un motor que provee la fuerza necesaria para estirar el alambre a travs del dado correspondiente. Cada dado realiza una cierta reduccin de dimetro y as se alcanza la reduccin total en el tren de estirado.

Durante el proceso de estirado, cuando el material del alambre no rene las condiciones de ductilidad necesarias los rollos de alambre son sometidos a un tratamiento trmico de recocido.


Diseo de los dados de estirado.

El la figura 15 estn representadas las caractersticas geomtricas que debe tener un dado de estirado.

Figura 15, dado de estirado para barras redondas o alambre.

Regin de entrada.- Es generalmente una abertura en forma de campana que no entra en contacto con el trabajo de estirado, su funcin es actuar como embudo lubricante en el dado y evitar ralladuras en la superficie de trabajo.

La aproximacin.- Es la zona donde ocurre el proceso de estirado, es una abertura en forma de cono con ngulo entre 6 y 20 (a mayor ngulo materiales de gran plasticidad y gran ductilidad).

La superficie del cojinete.- tambin llamado campo determina el dimetro final del material estirado.

El relevo de salida.- Se maquina con un relevo hacia atrs con un ngulo de 30

El material de construccin de los dados es de acero de herramientas cementa-do, para el estirado de alambre a alta velocidad se usan insertos de diamante en la zona de aproximacin del dado.

Preparacin previa del trabajo

Antes de iniciar el proceso de estirado, el material es preparado adecuadamente para asegurar la calidad del producto, los pasos que se siguen son: 1.- Los materiales de trabajo (barras y alambres) son sometidos a un tratamiento trmico de recocido, con el propsito de mejorar la ductilidad del material durante su deformacin a su paso por los dados.

24 UNIDAD 3 GUA DIDCTICA DE PROCESOS DE FABRICACIN INSTITUTO TECNOLGICO DE DURANGO - EDUCACIN A DISTANCIA

2.- Limpieza; con el propsito de evitar daos en la superficie de trabajo y en el dado de estirado, se deben remover las cenizas, capas de oxido y huellas de corrosin por medio de baos qumicos o con chorro de mu nicin. En casos de estirado critico se prelubrica la superficie de trabajo despus de la limpieza. 3.- El afilado o reduccin del dimetro en el extremo inicial es una operacin que se realiza para que pueda insertarse a travs del dado de estirado para iniciar el proceso. Esta operacin puede realizarse con un estampado, con un laminado o con torneado.

proceso de formado mecanico

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