Tecnología de Fabricación: Proceso de Conformación de Metales

Todas las piezas metálicas, excepto las fundidas, en algún momento de su fabricación han estado sometidas a una operación al menos de conformado de metales, y con frecuencia se necesitan varias operaciones diferentes. Así, el acero que se utiliza en la fabricación de tubos para la construcción de sillas se forja, se lamina en caliente varias veces, se lamina en frío hasta transformarlo en chapa, se corta en tiras, se le da en frío la forma tubular, se suelda, se mecaniza en soldadura y, a veces, también se estira en frío. Esto, aparte de todos los tratamientos subsidiarios. La teoría del conformado de metales puede ayudar a determinar la forma de utilizar las máquinas de la manera más eficiente posible, así como a mejorar la productividad.

Objetivos

• Conocer algunos procesos de conformación de metales (troquelado, doblado, embutido, laminado y extrusión), determinando sus generalidades, variables involucradas y aplicaciones de cada proceso estudiado.

• Conocer los dispositivos utilizados en los procesos: troquel, matrices y Punzones.

• Leer e interpretar los datos arrojados por la carátula del manómetro y el calibrador que indican el desplazamiento de la prensa hidráulica.

• Determinar los tiempos de alistamiento de los procesos estudiados.

• Conocer aplicaciones importantes de los procesos de conformado de metales.

• Conocer la importancia de los instrumentos de seguridad para la práctica, de las herramientas y el uso adecuado de los mismos.

1.      Que son Estos Procesos

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 partículas del  este sean desplazadas de una posición a la otra. La importancia de estos procesos radica en los múltiples artículos y formas en metal que existen y su fabricación en serie, haciendo que su alta demanda dependa de las buenas características mecánicas que posee el material, al igual que su gran maleabilidad y ductilidad.

2.      Procesos de Conformado de Metales

 En la industrial metalmecánica, existen diferentes tipos de proceso de conformado, siendo cada uno adecuado para un propósito 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 definidas 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.

3.      Los Procesos de Conformado según la Temperatura de Trabajo

 Se dividen en dos tipos, trabajo en caliente y en frio

      3.1 Trabajo en frío

Se refiere al trabajo a temperatura ambiente o menor. Este trabajo ocurre al aplicar un esfuerzo mayor que la resistencia de  cadencia 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.

       3.2  Trabajo en caliente

Se define como la deformación plástica del material metálico a una temperatura mayor que la de re cristalización. 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 cadencia 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.

4.      Proceso 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.

       5.      Proceso en el que se Utilizan La Materia Prima en Forma de Lamina

 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 de Corte muy utilizados a nivel industrial, estos son el Cizallado, troquelado, doblado y embutido

       5.1  Cizallado

Operación de corte de láminas que consiste en disminuir la lámina a un menor tamaño

       5.2  El Troquelado

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.

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.

        5.2.1 Partes de Una Traqueleadora

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 antes de realizar el troquelado y garantiza su correcta ubicación con respecto a la hembra 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 cónica que 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 suceden durante 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.

           5.2.2  Troquel

Herramienta empleada para dar forma a materiales sólidos, y en especial para el estampado de metales en frío.

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 opone la fuerza de troquelado. Por esta razón, la fuerza de troquelado debe ir aumentando conforme se realicen más operaciones.

5.3   Doblado

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 externas del material están en tensión, mientras que las interiores están en compresión. El doblado no produce cambios significativos en el espesor de la lámina metálica.

En el siguiente link, puede verse el proceso de doblado de una lámina de metálica 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.
5.4  Embutido

El Embutido de Chapas Metálicas es uno de los procedimientos más comunes elaboración de piezas huecas, para diversas aplicaciones que van desde el hogar, la oficina y en la industria en general.

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.

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.

6.      Procesos que utilizan la materia prima en forma de bloque

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, fundición, forjado y extrusión.

       6.1  Laminado

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 fabricación 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..

    6.1.1 Tipos de Laminado:

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 utilizado 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 láminas 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.

       6.2 Fundición

Consiste en el llenado con metal fundido de un recipiente (molde) que presenta un hueco cuya forma y dimensiones son análogas a las de la pieza que se desea obtener.

Con este procedimiento pueden obtenerse piezas de formas muy complicadas. Es necesario utilizar metales muy fluidos que llenen bien los huecos del molde.

       6.3 Forjado

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

       6.3.1 Procedimientos de Forjado

Existen dos clases de procedimientos de forjado forjado por impacto y forjado por presión.

Forjado por Presión: 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.

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.

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.

        6.4 Extrusión

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.

        6.4.1   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.

Conceptos Importantes del Tema

Procesos de Conformado de Metales

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 definidas 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.

El Troquelado

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.

Doblado

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 externas del material están en tensión, mientras que las interiores están en compresión. El doblado no produce cambios significativos en el espesor de la lámina metálica.

Embutido

El Embutido de Chapas Metálicas es uno de los procedimientos más comunes elaboración de piezas huecas, para diversas aplicaciones que van desde el hogar, la oficina y en la industria en general.

Laminado

La laminación es un método de conformado deformación utilizado para producir productos metálicos alargados de sección transversal constante.

Forjado

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

Extrusión

La extrusión es un proceso por compresión en el cual el metal de trabajo es forzado a  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.

Fundición

Consiste en el llenado con metal fundido de un recipiente (molde) que presenta un hueco cuya forma y dimensiones son análogas a las de la pieza que se desea obtener.

Con este procedimiento pueden obtenerse piezas de formas muy complicadas. Es necesario utilizar metales muy fluidos que llenen bien los huecos del molde.

Análisis, debido a que los metales deben ser conformados en la zona de comportamiento plástico es necesario superar el límite de fluencia para que la deformación sea permanente. Por lo cual, el material es sometido a esfuerzos superiores a sus límites elásticos, estos límites se elevan consumiendo así la ductilidad.

En el conformado de metales se deben tener en cuenta ciertas propiedades, tales como un bajo límite de fluencia y una alta ductilidad. Estas propiedades son influenciadas por la temperatura: cuando la temperatura aumenta, el límite de fluencia disminuye mientras que la ductilidad aumenta.

 En la industria el proceso de conformado es muy utilizarlo para darle muchas formas a los metales donde pudimos denotar que el metal es un elemento que se puede troquelar, Doblar, embutir, laminar , forjar, extruir y fundir.