martes, 16 de junio de 2009

Conformado en caliente y en frío

El acero es un material muy utilizado en nuestra cotidianidad, éste puede fabricarse a partir de mineral de hierrro en un alto horno, o a partir de chatarra en un horno eléctrico de arco. El acero obtenido puede luego conformarse de diversas maneras. A continuación se explican los procesos para fabricar láminas de acero.


1 Proceso de formado en caliente


Una de las propiedades más importantes de los metales es su maleabilidad, este término, indica la propiedad de un metal para ser deformado mecánicamente por encima de su límite elástico, sin deformarse y sin incremento considerable en la resistencia a la deformación.


La materia prima (para los procesos de formado) es el acero en lingote, este, con su estructura cristalina típica gruesa y dendrítica, no es útil para las aplicaciones en las que se requiera resistencia mecánica. Las partes fabricadas directamente del acero en lingote pueden estrellarse al recibir fuerzas de trabajo y cargas de impacto. Los granos dendríticos que contiene un lingote vaciado deben recristalizarse para dar al acero la resistencia necesaria esto se logra mediante procesos de trabajo en caliente como forjado o laminación.


Los factores que influyen en el tamaño de grano que se obtiene con la deformación en caliente son:

  • Temperatura final del proceso.

  • Velocidad de enfriamiento.

  • Tamaño inicial del grano.

  • Cantidad de la deformación.

Como el metal se encuentra a alta temperatura, los cristales reformados comienzan a crecer nuevamente, pero estos no son tan grandes e irregulares como antes. AI avanzar el trabajo en caliente y enfriarse el metal, cada deformación genera cristales mas pequeños, uniformes y hasta cierto grado aplanados, lo cual da al metal una condición a la que se llama anisotropía u orientación de grano o fibra, es decir, el metal es mas dúctil y deformable en la dirección de un eje que en la del otro.

Esta condición (anisotropía) nos ayuda a explicar las siguientes ventajas del trabajo en caliente.
No aumenta la dureza o ductilidad del metal ya que los granos distorsionados deformados durante el proceso, pronto cambian a nuevos granos sin deformación.

  • El metal se hace más tenaz pues los cristales formados son más pequeños y por lo tanto más numerosos, además porque se disminuye el espacio entre cristales y se segregan las impurezas.

  • Se requiere menor fuerza y por lo tanto menor tiempo, ya que el material es más maleable.

  • Facilidad para empujar el metal a formas extremas cuando esta caliente, sin roturas ni desgastes pues los cristales son más plegables y se forman continuamente.

  • Ayuda a perfeccionar la estructura granular.

  • Se eliminan zonas de baja resistencia.

  • Se eliminan los poros en forma considerable debido a las altas presiones de trabajo.

  • Baja costos de dados.

  • EI material tiene buena soldabilidad y maquinabilidad, dado que el contenido de carbono es menor al 0.25%.

Algunas de las desventajas que presenta el trabajo en caliente son

  • Se tiene una rápida oxidación o formación de escamas en la superficie con el siguiente mal acabado superficial.

  • No se pueden mantener tolerancias estrechas.

  • Se requieren herramientas resistentes al calor que son relativamente costosas.

1.1.Laminación


Aún calientes, los lingotes se colocan en hornos de gas llamados hornos de foso, allí permanecen hasta alcanzar una temperatura de trabajo uniforme de alrededor de 1200 ºC, una vez alcanzada esta temperatura los lingotes se llevan al tren de laminación en donde primero son laminados en formas intermedias como lupias, tochos o planchas. Una lupia tiene una sección transversal con un tamaño mínimo de 150 x 150 mm. Un tocho es más pequeño que una lupia y puede tener cualquier sección desde 40 mm. hasta el tamaño de una lupia. Las planchas pueden laminarse ya sea de un lingote o de una lupia, tienen un área de sección transversal rectangular con un mínimo de 250 mm. y un espesor mínimo de 40 mm. El ancho siempre es 3 o mas veces el espesor y puede ser de cuando mucho 1500 mm. Placas, plancha para tubos, y flejes se laminan a partir de planchas.

La mayor deformación toma lugar en el espesor aunque hay algún incremento en el ancho. La uniformidad de la temperatura es importante en todas las operaciones de laminado, puesto que controla el flujo del metal y la plasticidad. (Ver Figura 1) Un efecto del trabajo en caliente con la operación de laminado, es el refinamiento del grano causado por la recristalización.



Figura 1. Proceso de laminación. Una lámina de acero a temperatura de trabajo pasa a través de rodillos, los cuales producen una reducción en la sección transversal.


La mayoría de los laminados primarios se hacen ya sea en un laminador reversible de dos rodillos (Tren de laminación)o en un laminador de rolado continuo de tres rodillos. En el laminador reversible de dos rodillos, la píela pasa a través de los rodillos, los cuales son detenidos y regresados en reversa una y otra vez. A intervalos frecuentes el metal se hace girar 90° sobre su costado para conservar la acción uniforme y refinar el metal completamente, se requieren alrededor de 30 pasadas para reducir un lingote grande a una lupia. Los rodillos superior e inferior están provistos de ranuras para alojar las diferentes reducciones de la sección transversal de la superficie. El laminador de dos rodillos es bastante versátil, dado que posee un amplio rango de ajustes según el tamaño de las píelas y relación de reducción, pero esta limitado por la longitud que puede laminarse y por las fuerzas de inercia las cuales deben ser superadas cada vez que se hace una inversión. Esto se elimina en el laminador de tres rodillos, pero se requiere un mecanismo elevador. Aunque existe alguna dificultad debido a la carencia de velocidad correcta para todas las pasadas, el laminador de tres rodillos es menos costoso para hacerse y tiene un mayor rendimiento que el laminador reversible.

Los invito a ver el siguiente video para tener una visión mas clara del proceso de laminación.


Los tochos podrían laminarse en un gran laminador del tamaño usado para lupias, pero esto no se acostumbra por razones económicas. Frecuentemente se lamina lupias en un laminador continuo de tochos compuesto de alrededor de ocho estaciones de laminado en línea recta. El acero formado, por ultimo pasa a través del laminador y sale con un tamaño final de tocho, aproximadamente de 50 x 50 mm., el cual es la materia prima para muchas formas finales tales como barras, tubos y piezas forjadas.

1.2 Forja


Es un método de manufactura de piezas metálicas, que consisten en la deformación plástica de un metal, ocasionada por esfuerzos impuestos sobre él, ya sea por impacto o por presión. En el proceso, el metal fluye en la dirección de menor resistencia, así que generalmente ocurrirá un alargamiento lateral al menos que se le contenga. El grupo de metales más importantes lo constituyen el acero y sus aleaciones, ciertos materiales no ferrosos, como el aluminio y sus aleaciones.

Existen dos clases de forja, en matriz abierta y en matriz cerrada.

En la forja en matriz abierta, el metal no esta completamente contenido en el dado, el forjado con martinete es un ejemplo característico de este método. La pieza es formada debido a rápidos y sucesivos golpes del martillo. Utilizada en la producción de piezas pesadas con tolerancias grandes y en lotes pequeños y medianos.

La forja en matriz cerrada se utiliza mucho para alta producción. En el proceso, el metal es formado prensándose entre un por de dados. El dado superior se fija generalmente al ariete de una prensa de forja o a un martillo, mientras que el inferior queda sujeto al yunque. Juntos constituyen la matriz cerrada. El método permite obtener piezas de gran complejidad y exactitud, así como un buen acabado. Utilizada en la producción de piezas de peso reducido, de precisión y en lotes de 1000 a 10000 unidades.

En ciertas ocasiones la forja libre y la forja cerrada se pueden combinar favorablemente, por ejemplo, en la producción de piezas de precisión, es muy común preformar primero el metal en matriz abierta, y luego realizar el acabado final en matrices cerradas.


Es raro usar las partes forjadas tal y como se les produce, en general se les termina primero quitándoles las rebabas a las piezas (desbarbado), con una matriz de corte que no siempre esta integrada a la maquina de forja y después se proporciona el acabado requerido mediante los procesos de maquinado comunes.

  • Cabe mencionar que existen dos clases de forjado el denominado en caliente, que se realiza arriba de la temperatura de recristalización y el llamado forjado en frío que se efectúa por debajo de esta. Las piezas forjados se emplean ampliamente en herramientas de mano, partes de automóviles, caimanes, ferrocarriles, en la industria aeroespacial y muchas otras. Algunas de sus características técnicas más sobresalientes se numeran a continuación:
  • Integridad estructural: La forja elimina las bolsas de gas internas y otras inclusiones de metal, que podrían causar fallas no predecibles en piezas sometidos a esfuerzos o impactos elevados.
  • Alta resistencia y tenacidad: Mediante la orientación adecuada de las fibras del metal, la forja desarrolla la máximo resistencia posible al impacta y a la fatiga, dando a demás a la pieza la ductilidad necesaria para resistir fallas baja impactos inesperados.
  • Bondad de configuración: Muchas de las piezas forjadas se pueden producir aproximadamente a la configuración final estipulada, reduciéndose a un mínimo la necesidad de un maquinado posterior.
  • Uniformidad de las piezas: Es posible obtener piezas que exhiban una amplia gama de propiedades físico mecánicas, dependiendo de los materiales, aleaciones y tratamientos térmicos.
    Ahorro de peso: La alta resistencia que puede ser desarrollada en las piezas forjados por la adecuada orientación del flujo de fibras, refinamiento de la estructura cristalina y tratamiento térmico, les permite tener en muchas ocasiones un peso más reducido que las piezas fabricadas con otros procesos.
  • Economía al combinar varias partes de una sola forma: Mediante la forja, se pueden producir piezas de configuración geométrica muy complicada que en otro caso tendrían que elaborar mediante el ensamble de varias partes. Esto permite tener un considerable ahorro en la producción al evitar costosas uniones de soldaduras, remaches.

Forja en caliente (ver en el enlace el video 1)


Aparentemente el proceso es sencillo, es decir, calentar el metal y de uno o dos golpes forzarlo a llenar la cavidad del dado. En realidad, el metal está muy lejos de ser líquido, por lo tanto, no fluye tan fácilmente a las cavidades de la matriz. Así que, para forjar piezas, excepto aquellas de forma sencilla, es necesario tener en cuenta lo siguiente:

  • Cortar y preformar la pieza. El corte se puede hacer con sierra a cizalla y preformada con una prensa de forja. Se utiliza el preformada cuando la pieza a forjar tiene una geometría complicada a su pesa unitaria es relativamente alta, con esta operación se modifica la configuración inicial del metal, facilitando así su forjado final, requiere además de un calentamiento inicial.
  • Calentar un trozo de metal cortado y/o preformado en hornos de tipo eléctrico, de resistencia, de inducción, de alta frecuencia o de combustible líquido o gaseoso. Los aceros (incluyendo el acero inoxidable) son calentados aproximadamente a 1230 °C, en cambio, el aluminio se calienta a 425 °C. Esta fase de calentamiento se requiere a pesar de que el metal haya sido previamente calentado para su preformado.
  • La pieza ya caliente, se coloca en la matriz de la prensa o martinete. Dependiendo de su forma o tamaño y complejidad será el numero de pasos y cavidades de la matriz, donde proporcionalmente se le ira dando forma al producto. Cuando la pieza ha sido formada, pasa a unas prensas cortadoras de menor capacidad, para en efectuar en ellas el desbarbado. Se debe realizar inmediatamente después del formado final para aprovechar la elevada temperatura de la pieza y hacer el corte con una fuerza menor.
    Una vez que la pieza se ha forjado y desbarbado, se le somete normalmente a un tratamiento térmico con el propósito de aliviarle esfuerzos originados por la deformación y reducir la dureza en caso de aceros de alto contenido de carbón. Los métodos más usuales para ablandar el acero son el recocido y el normalizado. Las partes hechas por el proceso de forja en caliente, pueden pesar desde 200 grs. hasta 2 toneladas, sin embargo, la mayoría de las piezas pesan de 2 a 50 Kg.


Con respecto al paso No.1 (cortar y preformar la pieza) es conveniente enfatizar que la mayoría de las piezas forjadas requieren de un preformado también en caliente, este debe enfocarse a la formación de "bolsas" de material en las zonas donde el producto final tendrá mayor sección transversal.


Forja abierta o de herrero

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Este tipo de forja consiste en martillar el metal caliente ya sea con herramienta manuales o entre dos plano en un martillo de vapor. La forja manual, como la hecha por el herrero, es la forma más antigua de forjado. La naturaleza del proceso es tal que no se obtienen tolerancias cerradas, ni pueden hacerse formas complicadas. El rango de forjado por forja abierta, va desde unos cuantos kilogramos y sobrepasa los 90 mg. Un ejemplo de aplicación de este proceso se tiene en el forjado de joyería

Estampado


El estampado difiere de la forja con martillo en el que se usa más bien una impresión cerrada que dados de cara abierta. La forja se produce por presión o impacto, lo cual obliga al metal caliente y flexible a llenar la forma de los dados, en esta operación existe un flujo drástico del metal en los dados causado por los golpes repetidos sobre el metal. Para asegurar el flujo propio del metal durante los golpes intermitentes, las operaciones se dividen en un número de pasos. Cada paso cambia la forma gradualmente, controlando el flujo del metal hasta que se obtiene la forma final. El numero de pasos requeridos varía de acuerdo al tamaño y forma de la pieza, las cualidades de forja del metal y las tolerancias requeridos. Para productos de formas grandes y complicadas, puede requerir usar más de un juego de dados.

Las temperaturas aproximados del forjado son: acero de 1100 a 1250 °C.; cobre y sus aleaciones de 750 a 925° C.; magnesio 315° C. y aluminio 370 a 450° C. la forja de acero en dados cerrados varía en tamaño desde unos cuantos gramos hasta 10 mg.

Los dos principales tipos de martillos de estampado son el martinete de vapor y el martinete de caída libre o martinete de tablón. En el primero, el apisonador y el martillo son levantados por vapor, y la fuerza del golpe es controlada por el estrangulamiento del vapor. En el martinete del tipo de caída libre, la presión de impacto es desarrollada por la fuerza de caída del apisonador y el dado cuando golpea sobre el dado que esta fijo.


1.3. Extrusión


La extrusión en caliente es un proceso que utiliza la gran maleabilidad de los materiales previamente calentados para formarlo. Consiste en forzar al metal (contenido en una cámara de presión) mediante un embolo a salir a través de una matriz formadora especial, que determina la sección transversal del producto. Este emerge como una barra continua que se corte a la longitud deseada. La mayoría de los metales utiliza extrusión en caliente, para reducir las fuerzas requeridas, eliminar los efectos del trabajo en frío y reducir las propiedades direccionales. El proceso también se puede utilizar para materiales de baja resistencia que no se pueden formar por estirado.

Los metales que más comúnmente se someten a extrusión son: El plomo, cobre, latón, bronce, aleaciones de aluminio y magnesio. La obtención de las piezas metálicas por el proceso de extrusión se puede realizar para los siguientes materiales con las temperaturas adecuadas.

Acero 1100 – 1250 ºC
Cobre 750 – 925 ºC
Aluminio 320 – 450 ºC

El acero es más difícil de extruír a causa de su alta resistencia a la fluencia y su tendencia a soldarse a las paredes de la cámara de la matriz en las condiciones de alta temperatura y presión requeridas.


Sin embargo, se hacen en la actualidad cantidades significativas de extrusiones de acero, usando como lubricantes en el tocho sales de fosfato o recubrimiento de vidrio que se funde durante la extrusión, las matrices se hacen de acero para herramientas. Los ángulos de entrada y salida varían considerablemente, así que el diseño del dado debe ser cuidadoso. Un factor importante en el proceso es la lubricación de las paredes, tanto el material que se va a trabajar así como el de la estampa o matriz, esto evita el desgaste y alarga su vida útil.

Las presiones empleadas en el proceso son muy altas, para extruír el acero se requiere de una presión de 8800 a 12700 Kg/cm., las prensas hidráulicas tienen capacidad de mas de 14000 ton. Las tasas de producción son elevadas dado que se pueden extruír materiales a razón de 300 m/min. Como las matrices tienen costos bajos, la extrusión en caliente es económica para obtener pequeños lotes de piezas las tolerancias son buenas pero se incrementa a medida que el perfil o pieza adquiere mayor tamaño. Para la mayoría de las formas obtienen fácilmente tolerancias de alrededor de +0.003 pulgadas.

Las extrusiones poseen la estructura de grano compacto uniforme de otros metales trabajados en caliente1 tienen propiedades direccionales bastante marcadas. Los acabados son usualmente de 3.2 a 6.4 x 10 mm. Los principales productos del proceso de extrusión son: varillas, perfiles, estructurales, tubos, cables, cubiertos de plomo, molduras de marcos, cartuchos de latón, etc.
La maquinaria más empleada en la extrusión convencional son las prensas de tipo horizontal que se operan hidráulicamente. Las velocidades correctas de trabajo, dependiendo de la temperatura y del material, varían desde unos cuantos metros por minuto hasta 300 m/min. Existen algunas variaciones del proceso de extrusión.

Extrusión directa
Consiste en colocar dentro de la cámara un tocho caliente y redondo que se comprime mediante un embolo. El metal extruido a través del dado, se abre: hasta que solo queda un pequeño residuo para cortarlo cerca del dado y eliminar el extremo.

Extrusión indirecta
Difiere de la extrusión directa, en el que la parte extraída se forza a través del embolo. Se requiere menor esfuerzo en este método, pues no hay fricción entre el trozo de metal y las paredes del recipiente que lo contiene.
Sin embargo, tiene limitaciones tales como, la debilidad del ariete por ser hueco y la imposibilidad de proporcionar un soporte adecuado a la parte extraída.

Extrusión por impacto
En la extrusión por impacto un punzón es dirigido al pedazo de metal por una fuerza tal que este es elevado a su alrededor la mayoría de las operaciones de extrusión por impacto, tales como la manufactura de tubos plegables, son trabajos en frío. Sin embargo hay algunos metales y productos, particularmente aquellos en los cuales se requieren paredes delgadas, en los que los pedazos de metal son calentados a elevadas temperaturas.

2 Procesos de formado en frío


Cuando un metal es rolado, extruido o estirado a una temperatura debajo de la recristalización el metal es trabajado en frío. La mayoría de los metales se trabajan en frío a temperatura ambiente aunque la reacción de formado en ellos causa una elevación de la temperatura. El trabajo en caliente realizado sobre el metal en estampado plástico, refina la estructura de grano mientras que el trabajo en frío distorsiona el grano y reduce un poco su tamaño. El trabajo en frío mejora la resistencia, la maquinabilidad, exactitud dimensional y terminada de superficie del metal. Debida a que la oxidación es menar en el trabaja en frió laminas mas delgadas y hojalatas pueden laminarse mejor que par el trabaja en caliente.

Efectos del trabajo en frío
La diferencia principal del trabajo en caliente y enfrío es la temperatura a la cual se realiza el proceso. En el trabajo en frío el material se trabaja a temperatura ambiente, pero el proceso como tal ocasiona calentamiento por fricción entre el equipo y la pieza, por lo que es común que el trabajo en frío alcance temperaturas hasta de 200 °C.

Todos los metales son cristalinos por la naturaleza y están hechos de granos de forma irregular de varios tamaños. Cuando se trabaja en frío los cambios resultantes en la forma del material trae consigo marcas en la estructura de grano. Los cambios estructurales producen fragmentaciones del grano, movimientos de átomos y distorsión de la malla.

Para el trabajo en frío se requieren presiones mucho mayores que en el trabajo en caliente. Como el metal permanece en un estado mas rígido no es permanentemente deformado hasta que los esfuerzos aplicados han excedido el límite elástico.

La cantidad de trabajo en frío que un metal soporta depende sobre todo de su ductilidad, mientras mas dúctil sea el metal mejor podrá trabajarse en frío; Los metales puros pueden soportar una mayor deformación que los que tienen elementos dados, debido a que los metales de aleación incrementan la tendencia y rapidez del endurecimiento.

2.1 Laminación
Planchas, flejes, barras y varillas son laminados en frío para obtener productos de superficies pulidas y de dimensiones exactas.
Estos procedimientos se emplean para hacer láminas finas de los materiales más blandos. La mayor parte del laminado se realiza en laminadoras de cuatro rodillos, y de racimo o de planetario. El laminado en frío de planchas y flejes se clasifica en:

  • Laminado de superficie.
  • Laminado un cuarto endurecido.
  • Laminado semiduro.
  • Laminado duro completo.


Las máquinas para formado por laminado en frío, se construyen series de parejas de rodillos que forman progresivamente una cinta metálica que se alienta continuamente a través de la maquina a velocidades que van desde 18 a 19 mts/min. En esta maquina se producen secciones tubulares por medio de cinco pares de rodillos. La sección tubular entra a una soldadura por resistencia después de haberse formado y es continuamente soldada cuando pasa a través de la maquina.
Los tochos podrán laminarse en un gran laminador para lupias pero esto no se acostumbra por razones económicas. Frecuentemente se laminan rupias en un laminador continuo de tochos, compuestos alrededor de ocho estaciones de laminado en línea recta. El acero formado, por ultimo pasa a través del laminador y sale con un tamaño fino de tochos, aproximadamente a 50 x 50 mm., el cual es la materia prima para productos finales coma barras, tubos y piezas forjadas.

2.2 Forja


Estos términos se refieren a los métodos de trabajo en frío por una naturaleza de compresión o impacto que causa que el material fluya de alguna forma determinada con el diseño de los dados.

El calibrado, la forma más simple de forja en frío es una ligera operación de compresión de una pieza forjada, moldeada o montaje de acero para obtener tolerancias cerradas y superficies planas. El metal es confinado solo en dirección vertical. Pequeños piñones, menores de una pulgada de diámetro, se extruyen en frío. Estampado rotatorio es un medio de reducir los extremos de barras y tubos por dados rotatubos.

El cabeceado en frío o recalcado de pernos, remaches y otras piezas similares hechas en una maquina de cabeceado en frío es otra forma de estampado.

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