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PROCESOS DE CONFORMADO POR DEFORMACIÓN PLÁSTICA

Conformado por deformación plástica:

ÍNDICE 1

Fundamentos de los procesos de conformado por deformación plástica..................................................2

2

Procesos de Laminación........................................................................................................................... 7

3

Procesos de Forja.................................................................................................................................... 11

4

Procesos de Extrusión............................................................................................................................. 16

5

Procesos de Estirado y Trefilado............................................................................................................. 18

6

Procesos de trabajo de láminas (conformado de chapa)........................................................................21

7

Análisis de los procesos de conformado por deformación plástica.........................................................27

8

Hidroconformado..................................................................................................................................... 28

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PROCESOS DE CONFORMADO POR DEFORMACIÓN PLÁSTICA

Procesos de Conformado por Deformación Plástica: 1

Fundamentos de los procesos de conformado por deformación plástica

Los procesos de conformado por deformación aprovechan una propiedad notable de algunos materiales, habitualmente metales: el poder fluir plásticamente sin deterioro de sus propiedades. Debido a que el material se desplaza adquiriendo una forma determinada, el desperdicio es escaso o nulo. Como inconveniente tenemos el problema de tener que realizar esfuerzos muy grandes, para poder hacer fluir un material en estado sólido. Los átomos de los metales en estado sólido ocupan posiciones de equilibrio en la red cristalina, que dependen de las fuerzas interiores de cohesión. Por lo tanto, si somete a una pieza metálica a fuerzas exteriores, se altera el equilibrio y se producen desplazamientos atómicos que originan deformaciones que pueden ser elásticas, si los átomos recuperan la posición inicial, cuando cesan las fuerzas exteriores, o permanentes (plásticas) en caso contrario. Así pues, todo material sometido a la acción de fuerzas exteriores, reacciona contra de ellas con otras interiores que las equilibran. A las fuerzas externas calculadas por unidad de sección las denominarnos esfuerzos, y sus equivalen internas, tensiones que a su vez pueden ser normales o estar contenidas en un plano considerado (tensiones tangenciales o de cizallamiento). Consideremos un monocristal sometido a un esfuerzo, las tensiones tangenciales creadas provocan el deslizamiento de una parte del cristal a lo largo de un plano cristalográfico. Este movimiento se inicia cuando la tensión tangencial sobrepasa un valor crítico τc característico de cada metal (ley de Schmidt). Si las tensiones en los planos cristalográficos sobrepasan el valor límite, los átomos se alejan demasiado de su posición normal de equilibrio produciéndose modificaciones apreciables en la estructura y en la forma exterior del cristal, que le impiden recuperar la forma primitiva cuando desaparece la causa, originándose así las deformación permanente o plástica. Deformación de un MONOCRISTAL:  Toda pieza sometida a la acción de fuerzas exteriores reacciona contra ellas con otras internas que las equilibran.  A las fuerzas exteriores, calculadas por unidad de sección, se llaman esfuerzos y a sus equivalentes internas, tensiones.  Se llaman tensiones normales, σ , a las que se cuentan perpendicularmente a la sección, y producen tracción o compresión axial.  Se llaman tensiones tangenciales o de cizalladura, τ , a las que se hallan en el plano de la sección y tienden a hacer resbalar el plano sobre otro paralelo. El valor de estas tensiones es: σx = Fx / Sx

y

τ x = Fx / Sy

La mayoría de las piezas metálicas se conforman por deformación a partir de láminas, preformas o macizos de fundición. Son formas simples que, gracias a la gran variedad de transformaciones existentes pueden definir cualquier geometría.

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Todos ellos usan deformación plástica en los metales para cambiar su forma, generalmente mediante esfuerzos de compresión. La deformación además de modificar su aspecto externo, también cambia su estructura interna, lo que provoca que varíen sus propiedades mecánicas. En general, una pieza conformada por deformación presenta las siguientes características: 

Cuando el proceso se realiza a altas temperaturas, las propiedades finales difieren totalmente del mismo proceso ejecutado a temperatura ambiente.



Por deformación se pueden mejorar las propiedades mecánicas, aumentando la resistencia y dureza del material.



Al no ser un proceso de reducción de masa, se consigue un importante ahorro de material, que se traduce en una ventaja económica.



Las máquinas de producción por deformación son notablemente más rápidos que los centros de mecanizado o las fundiciones: por lo general, la conformación se aplica simultáneamente a toda la pieza, y las prensas suelen ser máquinas de gran ritmo de producción.

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1.1.- Influencia de la temperatura en el proceso de deformación El hecho de realizar un proceso de deformación a temperatura ambiente o en caliente (cientos de grados), condiciona totalmente las características de la pieza (tanto mecánicas o geométricas), la maquinaria a utilizar o incluso la posibilidad de realizarse. En general ambos tipos de trabajos tienen ventajas e inconvenientes, y la elección de uno u otro depende del objetivo que busquemos. Deformación en frío Si la deformación se lleva a cabo por debajo de la temperatura de recristalización, la deformación del grano en lo estructura del metal provoca un aumento de resistencia y dureza. Pero normalmente esta mejora de propiedades sólo repercute en determinadas direcciones. Estas cualidades se deben una combinación de varios fenómenos, como son la acritud y la orientación del grano. 

Ante una deformación no direccionada, los granos deformados son más pequeños que los originales, aumentando la resistencia y dureza del metal (fenómeno de acritud).



Además, si la deformación es preferente hacia alguna dirección, los granos se deforman alargándose. Como consecuencia se produce uno orientación de fibras de forma que la mejora de resistencia es más acusada en dicha dirección (anisotropía de propiedades).

La otra ventaja que aporta el conformado en frío es la calidad superficial final, así como la buena precisión dimensional, dando en muchos casos piezas totalmente terminadas. Por el contrario, la deformación en frío acarrea desventajas como son:   

Se requiere una alta energía y fuerza para conseguir la deformación, ya que se debe superar el límite de fluencia. Los metales finales pierden ductilidad, y por tanto mucho más proclives a sufrir grietas y fracturas repentinas. Para que la calidad final sea adecuada, se requieren materiales sin defectos como películas de grasa, óxido, alta rugosidad, etc.

Deformación en caliente Cuando un material se calienta por encima de una determinada temperatura crítica (temperatura de recristalización Tr), las propiedades mecánicas originales del material cambian considerablemente. Esto se puede ver reflejado claramente por el cambio de curva tensión-deformación:

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En la figura se puede observar que la nueva curva se hace más baja y más larga. Esto se traduce en una menor tensión de fluencia, y una mayor deformación máxima admisible. De cara a la deformación estos cambios van a suponer dos grandes ventajas:  

Es necesaria menor fuerza, para conseguir una misma deformación. Por lo tanto no se precisa maquinaria tan potente como en los procesos en frío. Las piezas admiten mayor deformación y se puede cambiar drásticamente cualquier geometría.

Otro fenómeno asociado a la deformación en caliente es la recristalización del grano: como ya hemos visto la deformación produce en la estructura interna un afino de grano (acritud) y una orientación de los mismos. Inmediatamente después, se generan en las juntas de grano núcleos o gérmenes de nuevos granos que crecen absorbiendo la estructura deformada. Los nuevos granos no tienen una orientación preferente, sino que son redondeados o equiáxicos. El resultado final como se puede ver en la figura es una estructura homogénea isótrapa con un tamaño de grano semejante al inicial.

De manera análoga las propiedades mecánicas también varían volviendo a ser semejantes a las del material original: 

La estructura cristalina final está formada por granos equiaxiales, es decir, redondeados, y las propiedades mecánicas de la pieza son isotrópicas en todas direcciones.



Los productos resultantes no endurecen por acritud y poseen mejores propiedades en cuanto a ductilidad, resistencia a fatiga y ante impactos (resilencia).

Otra ventaja adicional es que el trabajo a altas temperaturas hace disminuir y minimizar los poros e impurezas internas, consiguiendo estructuras más homogéneas y con menos defectos. Sin embargo existen algunos inconvenientes como: 

Las tolerancias y la rugosidad superficial de las piezas son bastante peores que en un proceso en frío. Las causas de esta menor calidad son varias: la oxidación es más rápida y los problemas por contracción del material también se incrementan.



La maquinaria es más sofisticada al tener que trabajar a altas temperaturas, lo que acarrea mayor coste y un mantenimiento más cuidado.

1.2.- Grado de deformación y tipo de esfuerzo La magnitud de la deformación y el tipo de esfuerzo que va a soportar una pieza definen tanto las características de la maquinaria como las especificaciones del material de la pieza, incluso su geometría más adecuada. Atendiendo a la magnitud o grado de deformación, un proceso puede ser de conformación total o parcial. 

Entendemos por conformación total o deformación volumétrica aquellos que cambian drástica mente la forma, o cambiando notablemente alguna de sus dimensiones. Esto significa que se redistribuye buena parte del material interno de una pieza (gran volumen deformado), generando gran cantidad de calor.



La conformación parcial o trabajo de láminas se utiliza sobre láminas, rollos o planchas de ligero espesor. Se caracteriza por ejercer presión sobre gran parte de su superficie, si bien el volumen de la zona deformada es mínimo. El resultado es una pieza que, aunque aparentemente cambie mucho, sólo se ha modificado una pequeña parte de la misma. Tecnología Mecánica Hoja 5 de 32

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Por otro lado, los tipos de tensiones básicas son tres:   

Tracción: las fibras se estiran en su dirección de aplicación, reduciéndose la sección transversal. Compresión: el material se contrae en el sentido de la fuerza, mientras el material fluye en dirección transversal. Cizalla: es causado por un par de fuerzas paralelas y de sentidos contrarios, aplicadas casi en la misma dirección, que producen un desgarro de las fibras en dicha línea.

Pero en la práctica apenas existen esfuerzos puros, sino que los procesos son combinación de varios de ellos, incluso las fibras de una pieza pueden ir cambiando de tipo de esfuerzo a lo largo de la realización.

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Procesos de Laminación

En general, la laminación consiste en hacer pasar metal entre dos cilindros que rotan en sentidos contrarios y separados por un hueco algo menor que el grueso del metal entrante. Cuando se lamina un metal se envía este y se oprime entre dos rodillos giratorios de la manera indicada en el dibujo. Los cristales se alargan en la dirección del laminado y el material sale de ahí a mayor velocidad que la de entrada. En el laminado en caliente el metal que se envía ha sido previamente calentado, y después de abandonar la zona de deformación, comienzan a reordenarse los cristales. En el laminado en frío, los cristales retienen estos sustancialmente la forma que les confirió la acción de los rodillos.

2.1. Temperatura de laminación. En la laminación en caliente, al igual que en todo el trabajo en caliente, es muy importante que toda la masa del metal se caliente uniformemente hasta la temperatura conveniente antes de sufrir la operación. Ello suele hacer necesario un calentamiento prolongado a la temperatura deseada, procedimiento conocido con el nombre de resudado. Si la temperatura no es uniforme, tampoco lo será, por tanto, la deformación y el exterior, más caliente, fluirá mejor que el interior, el cual, al estar más frío, será así más resistente. Así pueden aparecer problemas de agrietamiento y rotura y otros relacionados con éstos. La laminación en caliente acaba habitualmente a unos 50 ó 100°C por encima de la temperatura de recristalización.

LAMINACIÓN EN CALIENTE La laminación en caliente suele hacerse por etapas mediante una serie de cajas o bastidores de laminar que actúan consecutivamente. El material procedente de colada se lamina primero en forma de barras de gran sección, llamadas tochos, generalmente de un grosor superior a los 15 cm y, muchas veces, de sección transversal cuadrada; o bien en forma de desbastes planos, cuya forma rectangular es característica. Los tochos, a su vez, se reducen de tamaño para dar palanquillas, y los desbastes planos se laminan aún más para dar plancha o chapa (generalmente chapa es la de espesor inferior a 0,25" - 6,3 mm y plancha la de espesor superior). Seguidamente, estos productos se convierten en la materia prima de operaciones ulteriores de trabajo en caliente u otras formas de conformación. La disposición de los cilindros en las cajas de los trenes de laminación puede ser diversa Las primeras reducciones, llamadas pasadas de primer desbaste, suelen efectuarse en configuraciones dúo o trío con cilindros de diámetro de 0,6 a 1,4 m.

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Para una reducción dada, los cilindros de menor diámetro dan una superficie de contacto menor y, por ello, requieren cargas menores y menos energía para un cambio de medidas determinado. Pero por su menor sección transversal, su rigidez es más reducida y estos cilindros son proclives a flexionar elásticamente bajo carga. Para evitar esto se emplean unos cilindros de apoyo que proporcionan el refuerzo necesario a los cilindros de trabajo. En algunos casos el operario ajusta la separación entre cilindros entre cada dos pasadas, mientras que en otros los cilindros se diseñan de modo que las distintas acanaladuras labradas en ellos provean la separación decreciente correcta para que las pasadas sucesivas no requieran ajustes intermedios de los cilindros.

Características, calidad y tolerancias de los productos laminados en caliente: Debido que se laminan y acaban por encima de la temperatura de recristalización, y a los buenos controles con que se siguen todas las fases del proceso, los productos laminados en caliente poseen unas propiedades direccionales mínimas y se encuentran relativamente exentos de tensiones residuales, presentando normalmente una calidad constante y fiable. Es completamente inusitado descubrir rechupes, grietas o cavidades superficiales en los productos laminados de los buenos fabricantes. Las superficies de los productos laminados en caliente son, desde luego, algo ásperas y aparecen cubiertas de un óxido adhesivo y refractario conocido como cascarilla o batiduras. Con los métodos modernos, empero, pueden conseguirse superficies sorprendentemente lisas. La tolerancia dimensional de los laminados en caliente varía en función del tipo de metal y la medida del producto; para la mayoría de los que se obtienen en tonelajes razonablemente elevados, la tolerancia se sitúa ente el 2 y 5%. Aplicaciones: Los productos laminados en caliente se utilizan en la fabricación de barcos, puentes, calderas, estructura metálica, tubos, tuberías, y en general productos cierto grosor y gran dimensión. En caliente se laminan sobre todo los aceros aleados y duros, ya que sería imposible conseguir aceptables deformaciones si no se ablanda el material. El laminado de perfiles es bastante mas complicado que el laminado plano ya que se utilizan conjuntos de rodillos horizontales y verticales. Partiendo de la forma prismática, los rodillos formadores deben ajustarse al perfil requerido de tal forma que, por sucesivos pases de laminación, el material adopte el perfil requerido.

LAMINACIÓN EN FRÍO Una vez conseguida una preforma adecuada, muchos productos como perfiles, láminas, planchas o alambres, vuelven a ser laminados, esta vez en frío, con el fin de obtener unas calidades superficiales mejores y un rango de tolerancias menor y espesores uniformes. Para láminas menores de 1 mm de espesor, se laminan directamente en frío. La finalidad del laminado en frío es producir un endurecimiento del material por deformación en frío, sobre todo en dirección longitudinal y una mejora de las calidades superficiales, libre de incrustaciones y capas de óxido.

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Antes de aplicarse, se procede a una limpieza superficial del material para eliminar las escamas de óxido. Este procedimiento suele hacerse sumergiendo las planchas en un baño activo, que reacciona químicamente neutralizando la oxidación (decapado). Aplicaciones: Los productos laminados en frío se utilizan en chapas de automóviles, utensilios, muebles de oficina, artículos domésticos y en estampados. Algunos materiales, tales como aluminio, cobre, latones, bronces y aceros con bajo porcentaje en carbono, se pueden laminar directamente en frío.

2.2. Maquinaria Laminadora. La unidad de laminación más elemental se compone de dos cilindros cuyos portacojinetes, están apoyados en dos bastidores compuestos cada uno por una base, dos columnas y un larguero que los une. Ambos bastidores están unidos entre sí por otros elementos que mantienen la posición. Si los bastidores que soportan los portacojinetes son de una pieza se denominan cajas cerradas y si su larguero es desmontable, cajas abiertas. Ese laminador elemental puede estar formado por más de dos cilindros, tanto de eje horizontal como de eje vertical. Al menos uno de los cilindros debe moverse longitudinalmente (verticalmente si es de eje vertical y horizontalmente si es de eje horizontal) para poder ajustar la distancia entre los cilindros. Si el ajuste hay que realizarlo después de cada pasada del material, el ajuste se realiza mediante motores, llamando a ese conjunto de elementos calibrador (conjunto que permite la adaptación de la distancia entre los cilindros en cada pasada). Los cilindros de laminación se componen de tres partes principales:  Cuerpo o tabla  Cuello  Muñones o trefles La robustez de los cilindros de laminación viene definida por la relación entre la longitud de la tabla y su diámetro: 2 x L/D x 3 Los cilindros suelen estar construidos en fundición de distintos tipos, aunque también pueden construirse en acero. Los cojinetes también se pueden hacer de distintos tipos y f...