procesos de conformado plástico de metales
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Procesos de conformado plástico de metales.INTRODUCCIÓN:
“LA IMPORTANCIA DE LOS METALES EN TECNOLOGÍA MODERNA
ESTÁ PREVISTA, EN GRAN PARTE, A LA FACILIDAD CON LA CUAL
ELLOS PUEDEN SER FORMADOS EN FORMAS ÚTILES COMO
TUBOS, BARRAS Y HOJAS(…)”[1]
En el siguiente texto, se estudiarán los procesos de conformado plástico
en metales, sus características y utilidades en el campo de fabricación
industrial. Su importancia y,tanto imágenes como videos útiles para su
entendimiento.
1. ¿QUE SON ESTOS PROCESOS?[1]:Los procesos de conformado
plástico de metales, son todos aquellos procesos donde se busca
generar formas a metales, de tal manera que su volumen y masa se
conservan, y las particulas del este sean desplazadas de una posición al
otra. La importancia de estos procesos radica en los multiples articulos
y formas en metal que existen y su fabricación en serie, haciendo que
su alta demanda dependa de las buenas caracteristicas mecanicas que
poseé el material, al igual que su gran maleabilidad y ductilidad.
2. PROCESOS DE CONFORMADO PLÁSTICO DE METALES: En la
industrial metalmecánica, existen diferentes tipos de proceso de
conformado, siendo cada uno adecuado para un proposito determinado.
La elección del proceso de conformado determinado, depende de la
forma y/o tratamiento al que se quiera llevar el material.
Los procesos de conformado se clasifican de acuerdo al dos principales
variables: la temperatura de trabajo y el tipo de materia prima. Estas
dos variables serán definidias a continuación antes de definir cada
proceso por separado, puesto que representa un punto de mucha
importancia para la definición y clasificación de cada proceso.
2.1 PROCESOS DE CONFORMADO SEGUN LA TEMPERATURA
DE TRABAJO[2]: Se dividen en dos tipos, trabajo en caliente y en frio.
2.1.1 Trabajo en frío
Se refiere al trabajo a temperatura ambiente o menor. Este trabajo
ocurre al aplicar un esfuerzo mayor que la resistencia de cedencia
original de metal, produciendo a la vez una deformación.
Las principales ventajas del trabajo en frío son: mejor precisión,
menores tolerancias, mejores acabados superficiales, posibilidades de
obtener propiedades de dirección deseadas en el producto final y mayor
dureza de las partes. Sin embargo, el trabajo en frío tiene algunas
desventajas ya que requiere mayores fuerzas porque los metales
aumentan su resistencia debido al endurecimiento por deformación,
produciendo que el esfuerzo requerido para continuar la deformación
se incremente y contrarreste el incremento de la resistencia (Figura
No. 1); la reducción de la ductilidad y el aumento de la resistencia a la
tensión limitan la cantidad de operaciones de formado que se puedan
realizar a las partes.
2.1.2 Trabajo en caliente
Se define como la deformación plástica del material metálico a una
temperatura mayor que la de recristalización. La ventaja principal del
trabajo en caliente consiste en la obtención de una deformación plástica
casi ilimitada, que además es adecuada para moldear partes grandes
porque el metal tiene una baja resistencia de cedencia y una alta
ductilidad.
Los beneficios obtenidos con el trabajo en caliente son: mayores
modificaciones a la forma de la pieza de trabajo, menores fuerzas y
esfuerzos requeridos para deformar el material, opción de trabajar con
metales que se fracturan cuando son trabajados en frío, propiedades de
fuerza generalmente isotrópicas y, finalmente, no ocurren
endurecimientos de partes debidas a los procesos de trabajo.
2.2 PROCESOS DE CONFORMADO SEGÚN LA MATERIA PRIMA
UTILIZADA: Los procesos de conformado plástico también se
caracterizan por utilizar materiales en diferentes condiciones,
ya estén o en forma de láminas o en forma de bloques masísos.
Esta característica diferencia de manera particular los tipos de
procesos y utilidades de cada uno.
2.2.1 PROCESOS QUE UTILIZAN LA MATERIA PRIMA EN
FORMA DE LAMINAS: Es todo proceso de conformado de metales en
donde el metal que será conformado en cierta forma determinada, se
dispone inicialmente como lámina.
Dentro de este grupo, se encuentran una serie de procesos muy
utilizados a nivel industrial, estos son el troquelado, doblado y
embutido:
2.2.1.1 TROQUELADO[3]:
Se denomina troquelado de metal a la operación mecánica que se
utiliza para realizar agujeros en chapas en láminas metálicas. Para
realizar esta tarea, se utilizan desde simples mecanismos de
accionamiento manual hasta sofisticadas prensas mecánicas de gran
potencia. En el siguiente link, puede observarse el proceso de
troquelado en diferentes láminas: troquelado. En este video puede
observarse diferentes modelos de troquelado para una misma maquina
de troquelado.
Figura 1. Maquina Troqueladora
Los elementos básicos de una troqueladora lo constituyen el
troquel que tiene la forma y dimensiones del agujero que se quiera
realizar, y la matriz de corte por donde se inserta el troquel cuando es
impulsado de forma enérgica por la potencia que le proporciona la
prensa mediante un accionamiento de excéntrica que tiene y que
proporciona un golpe seco y contundente sobre la chapa, produciendo
un corte limpio de la misma.
Partes de la troqueladora[2]:La troqueladora consta de un troquel y
una prensa hidráulica que lo aloja. Las partes del troquel se muestran
en la Figura No. 5 y se describen a continuación:
Punzón o macho: Ejerce presión sobre la lámina a troquelar,
cortándola gracias al juego existente entre éste y la matriz.
Base inferior del troquel: Parte tenaz que contiene a la placa
sufridera.
Base superior del troquel: Parte tenaz que aloja al macho y contiene
una placasufridera.
Pin centrador: permite alinear el centro de la prensa con el centro de
fuerzadel troquel. Esta ubicado en la superficie superior de la base
superior del troquel.
Resortes de espira redonda: Presionan la placa guía contra el fleje a
troquelar,evitando que se deforme durante el corte.
Placa pisadora o guía de punzones: Impide el movimiento de la
lámina antesde realizar el troquelado y garantiza su correcta ubicación
con respecto a lahembra y el macho.
Matriz o hembra: Parte templado, ubicada en el inferior de la
troqueladora. La superficie de la matriz determina la vida del troquel,
debido a que posee una porción recta que se va desgastando con el uso
y debe ser rectificada para conservar una buena calidad de los
productos.La parte inferior de la matriz sirve como estructura y tiene
una cavidad cónicaque permite la salida de los blancos.
Placa sufridera: parte templada y revenida que impide las posibles
indentaciones producidas por los continuos golpes o impactos que
sucedendurante la troquelada.
Guías de Fleje (lámina): Orientan la lámina haciendo que ésta se
mantenga alineada según el trabajo requerido.
Por su importancia, es necesario dedicarle especial atención al troquel,
por lo que a continuación se muestran su definición y diferentes tipos.
Troquel [4]:Herramienta empleada para dar forma a materiales
sólidos, y en especial para el estampado de metales en frío.
Figura 2. Troqueles para flores y plantas.
En el estampado se utilizan los troqueles en pares. El troquel más
pequeño, o cuño, encaja dentro de un troquel mayor, o matriz. El metal
al que va a darse forma, que suele ser una lámina o una pieza en bruto
recortada, se coloca sobre la matriz en la bancada de la prensa. El cuño
se monta en el pistón de la prensa y se hace bajar mediante presión
hidráulica o mecánica.
Los más sencillos son los troqueles de perforación, utilizados para
hacer agujeros en la pieza.
Los troqueles de corte se utilizan para estampar una forma
determinada en una lámina de metal para operaciones posteriores.
Los troqueles de flexión y doblado están diseñados para efectuar
pliegues simples o compuestos en la pieza en bruto.
Los troqueles de embutir se emplean para crear formas huecas. Para
lograr una sección reducida en una parte hueca, como el cuello de un
cartucho de fusil, se utilizan troqueles reductores especiales. Cuando la
pieza terminada debe tener una protuberancia en la parte inferior o
central suelen emplearse troqueles hidráulicos. En éstos el cuño se
sustituye por un pistón que introduce en la pieza agua o aceite a
presión, lo que obliga al metal a doblarse hacia fuera contra la matriz.
Los troqueles de rebordeado forman un reborde curvo en piezas
huecas. Un tipo especial de troquel de rebordeado, llamado troquel de
costura con alambre, enrolla firmemente los bordes externos del metal
alrededor de un alambre que se inserta para dar resistencia a la pieza.
Los troqueles combinados están diseñados para realizar varias de las
operaciones descritas en un único recorrido de la prensa; los troqueles
progresivos permiten realizar diversas operaciones sucesivas de
modelado con el mismo troquel.
En la acuñación de monedas se obliga al metal a pasar entre dos
troqueles coincidentes, en los que figura un huecograbado del dibujo
que debe formarse en la moneda.
Los parámetros que se tienen en cuenta en el troquelado son la forma y
los materiales del punzón y la matriz, la velocidad y la fuerza de
punzonado, la lubricación, el espesor del material y la holgura o luz
entre el punzón y la matriz. La determinación de la luz influirá en la
forma y la calidad del borde cortado. Entre mayor luz exista, el borde
cortado será más burdo y provocará una zona más grande de
deformación en la que el endurecimiento será mayor.La altura de las
rebabas se incrementa al aumentar la luz. Los bordes de herramientas
desafilados contribuyen también a la formación de rebabas, que
disminuye si se aumenta la velocidad del punzón. En algunas
operaciones de troquelado la lámina perforada suele acumularse entre
la porción recta de la matriz, ejerciendo una fuerza de
empaquetamiento que se oponea la fuerza de troquelado. Por esta
razón, la fuerza de troquelado debe ir aumentando conforme se realicen
más operaciones. [2]
2.2.1.2 DOBLADO[2]:
El doblado de metales es la deformación de láminas alrededor de un
determinado ángulo. Los ángulos pueden ser clasificados como abiertos
(si son mayores a 90grados), cerrados (menores a 90°) o rectos.
Durante la operación, las fibras externasdel material están en tensión,
mientras que las interiores están en compresión. Eldoblado no produce
cambios significativos en el espesor de la lámina metálica.
Figura 3. Diferentes tipos de doblado
En el siguiente link, puede verse el proceso de doblado de una lamina
demetálica con la ayuda de un brazo robótico de la empresa
KUKA: Doblamiento de lámina. Este proceso tiene la ventaja clara de que
el movimiento principal de doblamiento lo realiza el brazo robótico,
brazo en el que pueden programarse tanto el ángulo de doblamiento
como la fuerza de acción del mismo.
2.2.1.3 EMBUTIDO [5]:
El Embutido de Chapas Metálicas es uno de los procedimientos más
comunes elaboración de piezas huecas, para diversas aplciaciones que
van desde el hogar, la oficina y en la industria en general.
Figura 4. Proceso de embutimiento
Las piezas recortadas o discos a emplear se disponen en el asiento o
anillo de centrado, fijado a la matriz de embutir, con la finalidad de
centrar el disco en el proceso de embutición. Un dispositivo pisador
aprieta el disco contra la matriz de embutir con la finalidad de que no
se produzcan pliegues. El punzón de embutir al bajar estira el
material sobre los bordes rebordeados de la matriz, de modo que se
produzca una pieza hueca. El desplazamiento de todos los cristales en
que esta constituido el material a embutir es radical en toda su
magnitud. Cada uno de los cristales del material se desplaza, en la
medida de que este se desliza en la abertura entre el punzón y la
matriz.
Figura 5. Partes que intervienen en el proceso de embutimiento
El desplazamiento del material en ese instante es semejante al flujo de
agua por el rebosadero de una presa. Cuando se pretende que el
espesor del material no se altere durante el proceso de embutido, el
área de la pieza original (disco recortado) debe ser igual al área de la
superficie de pieza embutida.
En el siguiente link, se puede ver un proceso de embutido común,
donde se forma una pieza de dimensiones definidas a partir de una
lámina circular:embutimientode piezas
Figura 6. Pieza embutida en varias etápas
En la anterior imagen, puede observarse el procesos de embutimiento
en varias etapas, desde la lámina hasta la chapa final.
2.2.2 PROCESOS QUE UTILIZAN LA MATERIA PRIMA EN
FORMA DE BLOQUES :Son el conjunto de procesos en el que, el
metal que será conformado en una forma determinada, se encuentra
inicialmente dispuesto en forma de bloque. Estos se caracterizan por su
drástico cambio de geometría.Los procesos que se encuentran dentro
de este grupo son el laminado, forjado y extrusión.
2.2.2.1 LAMINADO[6][2]:
La laminación es un método de conformado deformación utilizado para
producir productos metálicos alargados de sección transversal
constante.
Este proceso metalúrgico se puede realizar con varios tipos de
máquinas. La elección de la máquina más adecuada va en función del
tipo de lámina que se desea obtener (espesor y longitud) y de la
naturaleza y características del metal. En el siguientes link, Fabricación
de láminas, puede verse el gran uso industrial y comercial que tiene el
proceso de conformado metálico de laminado en la fabricacion
de artículos, mostrándonos como grandes bloques metálicos son
laminados hasta más de 45 veces su grosor inicial.
Este es un proceso en el cual se reduce el espesor del material
pasándolo entre un par de rodillos rotatorios. Los rodillos son
generalmente cilíndricos y producen productos planos tales como
láminas o cintas. También pueden estar ranurados o grabados sobre
una superficie a fin de cambiar el perfil, así como estampar patrones en
relieve. Este proceso de deformación puede llevarse a cabo, ya sea en
caliente o en frío.
Figura 7. Proceso de conformado por láminación
.
Tipos de laminado[7]: Durante el desarrollo del proceso de
laminación se deben tener en cuenta dos tipos de procesos: laminación
en caliente y laminación en frió
Laminación en caliente: El proceso de laminado en caliente se utiliza
para estructuras de colada, o fundición comúnmente dendrítica, la cual
incluye granos grandes y no uniformes, por lo cual la estructura es más
frágil y contiene porosidades. De tal manera la laminación en caliente
se debe realizar a una temperatura mayor a la temperatura de
recristalizacion del metal; permitiendo transformar la estructura colada
en una estructura laminada, la cual va a tener granos mas finos y una
mayor ductilidad, resultando ambas de los limites de los granos frágiles
y el cierre de los defectos especialmente de la porosidad. El proceso de
laminado en caliente se lleva a cabo para aleaciones de aluminio y para
aceros aleados. Se manejan temperaturas entre 0.3 y 0.5 veces la
temperatura de fusión, lo que corresponde a la temperatura de
recristalizacion. Comúnmente los primeros producto de laminado en
caliente, son la palanquilla y el planchon. El primer producto es muy
utilizados para la formación de vigas en forma de I y rieles de
ferrocarril, en el caso de utilizar tochos, en cambio para la formación de
placas y laminas se utilizan los planchones. En el proceso de laminado
en caliente tanto para palanquillas como para planchones la superficie
tiene que ser mejorada, por la presencia de calamina, la cual puede ser
eliminada por ataque químico, esmerilado grueso para dar suavidad a
la superficie, o chorro de arena y de tal manera pasar a ser laminada.
Laminado en frío: El proceso de laminado en frío se lleva a cabo a
temperatura ambiente. A diferencia del proceso de laminación en
caliente, produce laminas y tiras con un acabado superficial mejor
debido a que no hay presencia de calamina. Además se tienen mejores
tolerancias dimensionales y mejores propiedades mecánicas debidas al
endurecimiento por deformación.
2.2.2.2 FORJADO[8][1]:
Involucra la aplicación de esfuerzos de compresión que exceden el
esfuerzo de fluencia del metal. El esfuerzo puede ser aplicado rápida o
lentamente. El proceso puede realizarse en frío o en caliente, la
selección de temperatura es decidida por factores como la facilidad y
costo que involucre la deformación, la producción de piezas con ciertas
características mecánicas o de acabado superficial es un factor de
menor importancia. Más del 90% de los procesos de forjado son en
caliente. El forjado por impacto, puede realizarse de 3 maneras
diferentes
Existen dos clases de procedimientos de forjado: forjado por impacto y
forjado por presión.
FORJADO POR PRESIÓN:Es el tipo de forjado donde se involucra la
aplicación gradual de presión para lograr la cedencia del metal. Este
tipo de forjado se usa a nivel industrial y utiliza maquinaria tipo prensa
hidráulica. En el siguiente link, puede observarse el proceso de forjado
por presión: Forjado por presión
FORJADO POR IMPACTO: Es el tipo de forjado donde la carga es
aplicada por impacto y la deformación tiene lugar en un corto tiempo.
Existen a su vez, dos diferentes formas de forjado por impacto
Forjado de herrero: Este es indudablemente el más antiguo tipo de
forjado, pero en la actualidad es relativamente poco común. La fuerza
de impacto para la deformación es aplicada manualmente por el
herrero por medio de un martillo. La pieza de metal es calentada en
una fragua y cuando se encuentra a la temperatura adecuada es
colocada en un yunque. El yunque es una masa pesada de acero con la
parte superior plana, una parte en forma de cuerno la cual está curvada
para producir diferentes curvaturas, y un agujero cuadrado en la parte
superior para acomodar varios accesorios del yunque.
Figura 8. Forjado de Herrero
En el siguiente link, puede verse un proceso de forjado de herrero
puesto en práctica: Forjado de herrero
Forjado por Martinete: Este es el equivalente moderno del forjado de
herrero en donde la fuerza limitada del herrero ha sido reemplazada
por un martillo mecánico o de vapor.
Figura 9. Forjado por martinete
El proceso puede verse dando click en el siguiente link: Forjado por
martniete
2.2.2.3 EXTRUSIÓN [9][1]:
La extrusión es un proceso por compresión en el cual el metal de
trabajo es forzadoa fluir a través de la abertura de un dado para darle
forma a su sección transversal. Ejemplos de este proceso son secciones
huecas, como tubos, y una variedad deformas en la sección transversal.
Figura 10. Extrusión Industrial
El siguiente link muestra el proceso de extrusión para fabricación el
serie:Extrusión
Tipos de Extrusión: El proceso de conformado por extrusión puede
dividirse en dos principales tipos: Extrusión directa y Extrusión
indirecta.
Extrusión Directa
La extrusión directa, también conocida como extrusión delantera, es el
proceso más común de extrusión. Éste trabaja colocando la barra en un
recipiente fuertemente reforzado. La barra es empujada a través del
troquel por un tornillo. Hay un dummy block reusable entre el tornillo y
la barra para mantenerlos separados. La mayor desventaja de este
proceso es la fuerza requerida en la extrusión de la barra, es mayor que
la necesitada en la extrusión indirecta porque la fuerza de
fricción introducida por la necesidad de la barra de recorrer
completamente el contenedor. Por eso la mayor fuerza requerida es al
comienzo del proceso y decrece según la barra se va agotando. Al final
de la barra la fuerza aumenta grandemente porque la barra es delgada
y el material debe fluir radialmente para salir del troquel. El final de la
barra, llamado tacón final, no es usado por esta razón.
Extrusión indirecta
En la extrusión indirecta, también conocida como extrusión retardada,
la barra y el contenedor se mueven juntos mientras el troquel está
estacionario. El troquel es sostenido en el lugar por un soporte el cual
debe ser tan largo como el contenedor. La longitud máxima de la
extrusión está dada por la fuerza de la columna del soporte. Al moverse
la barra con el contenedor, la fricción es eliminada.
Ventajas:
Una reducción del 25 a 30% de la fuerza de fricción, permite la
extrusión de largas barras.
Hay una menor tendencia para la extrusión de resquebrajarse o
quebrarse porque no hay calor formado por la fricción.
El recubrimiento del contenedor durará más debido al menor uso.
La barra es usada mas uniformemente tal que los defectos de la
extrusión y las zonas periféricas ásperas o granulares son menos
probables.
Desventajas:
Las impurezas y defectos en la superficie de la barra afectan la
superficie de la extrusión. Antes de ser usada, la barra debe ser
limpiada o pulida con un cepillo de alambres.
Este proceso no es versátil como la extrusión directa porque el área
de la sección transversal es limitada por el máximo tamaño del tallo.