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PROCESOS INDUSTRIALES

DEFORMACIÓN PLÁSTICA IV. CONFORMADO DE CHAPA

Deformación Plástica IV. Conformado de Chapa

Tema 13 DEFORMACIÓN PLÁSTICA IV. CONFORMADO DE CHAPA

13.1 Introducción En estos últimos años el conformado de chapa fina, por diversos procedimientos, ha adquirido un notable desarrollo debido a la extensa variedad de aplicaciones en la fabricación de piezas [Figura 13.1.] (carrocerías de automóviles, aviones, aparatos electrodomésticos, ordenadores, muebles para oficinas, etc.).

Figura 13.1. Procesos de conformado de chapa 13.2

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La mayoría de los procesos se realiza en frío, excepto cuando el material es grueso, frágil o la deformación es significativa. Las características fundamentales que proporcionan a estos productos su importancia industrial son: a) Economía de la fabricación de las piezas de chapa por estampación en frío (para grandes series). b) Uniformidad de las características mecánicas obtenidas de las piezas (no existe transformación térmica). c) Excelente acabado superficial de las piezas. d) Elevada resistencia mecánica. Los espesores de trabajo se encuentran en el intervalo 0,4 mm a 6 mm, aunque podemos encontrarnos espesores más pequeños. Cuando es mayor de 6 mm se llama placa en lugar de chapa. Las condiciones que deben cumplir las chapas de los metales y aleaciones, para obtener los mejores resultados en el conformado de chapas en frío, son las siguientes: 1. Sus superficies no han de tener marcas ni defectos. 2. Espesor uniforme. 3. Características uniformes del material. De entre todos los materiales utilizados en la fabricación de piezas, los más empleados en el conformado en frío son la chapa de acero, la chapa de aluminio y la chapa de latón. Las tres grandes categorías de los procesos de chapa metálica son las siguientes [Figura 11.1.]: a) Operaciones de corte: Obtención de piezas más pequeñas o de algún elemento o forma definida b) Doblado y curvado: Deformación del material alrededor de un eje c) Embutido: Transformación de chapa metálica en piezas de geometría determinada La primera se usa para obtener piezas más pequeñas, para obtener algún elemento o hacer alguna forma en la pieza de trabajo. Las restantes se realizan para transformar chapas en piezas de geometría determinada.

13.2 Operaciones de corte El corte o perforación de la chapa consiste en una operación mecánica que, con la aplicación de útiles adecuados, permite obtener una pieza geométrica, en forma de superficie plana, de manera instantánea. Hay tres operaciones principales en el corte de chapa [Figura 13.2.]: • •

Cizallado. Es el corte de la chapa a lo largo de una línea recta para reducir su sección. Troquelado (Blanking). Implica el corte a lo largo de una línea cerrada en un solo paso para separar la pieza del material circundante. La parte que se corta es el producto deseado. 13.3

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•

Punzonado (Punching). Proceso similar al anterior, pero en este caso la parte cortada es el desperdicio. El material que queda es la pieza deseada.

(a)

(b)

(c)

Figura 13.2. Proceso de (a) cizallado, (b) troquelado y (c) punzonado La maquinaria que se emplea para estas operaciones de corte y punzonado consiste básicamente en una prensa mecánica o hidráulica, en las que se fija el punzón y la matriz. Siguiendo el proceso de corte de la chapa [Figura 13.3.(a)], se observa que el punzón ejerce presión continuada sobre la chapa, oponiéndose a este esfuerzo la reacción propia del material, hasta el momento en el que el esfuerzo de compresión supera la resistencia al cizallamiento y separa la pieza, obtenida por el lado opuesto al ataque del punzón.

(b) Figura 13.3. (a) Representación de un proceso de corte y (b) zonas en la superficie de fractura Entre la matriz y el punzón ha de existir un juego para que las dos líneas de fractura se encuentren (matriz y punzón) y la separación sea limpia. Si se aumenta la separación, el material tiende a adherirse a la matriz más que a ser cortado, originándose rebabas mayores. Si es demasiado pequeña, la fractura es peor y se necesitan fuerzas excesivas. Generalmente oscila entre 0,05 y 0,10 del espesor de la chapa a cortar, aunque si los materiales sonduros y las láminas gruesas, se requerirán mayores holguras.

13.3 Doblado y curvado El doblado se define como la deformación del metal alrededor de un eje recto, de forma que interiormente el material está comprimido y en el exterior traccionado. El material se deforma

13.4

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plásticamente, por lo que la deformación permanece una vez retirada la carga. Este proceso apenas produce cambio en el espesor de la chapa. Los dos métodos más usados son el doblado en V [Figura 13.4.(c)], realizado con punzón y apoyo en V y el doblado de bordes [Figura 13.5.(e)], ejecutado mediante un mazo deslizante.

Figura 13.4. Operaciones de doblado y curvado Estas operaciones, se aplican fundamentalmente a chapas, aunque pueden efectuarse en alambres, tubos, y otros perfiles. En este tipo de operaciones el material se comprime por su parte interior y se estira por la exterior, el límite de ambas zonas es la línea neutra. El radio interior del doblado, no puede ser inferior a unos límites dados que dependen del tipo de material, dado que en caso contrario el material tendría tendencia a agrietarse y romperse.

Figura 13.5. Grietas en piezas curvadas Cuando se ha de obtener una pieza doblada, hay que partir de otra cortada en forma plana, cuyas dimensiones deben de ser determinadas de antemano calculando su desarrollo [Figura 13.6.].

Figura 13.6. Línea neutra ("y" es la posición de la línea neutra; a, b, r se miden tras el doblado). Para obtener la posición de la línea neutra, se despeja "y" de: c = a + b + La longitud de la chapa plana coincidirá con la de la línea neutra.

π 2

(r + y )

13.5

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13.3.1 Recuperación elástica o restitución Todos los materiales tienen un módulo finito de elasticidad, por lo que la deformación plástica siempre va seguida de alguna restitución elástica cuando se retira la carga [Figura 13.7.]. En el doblado, a esta restitución se le llama rebote, que puede observarse con facilidad si se dobla una hoja metálica o de alambre, y luego se libera. La restitución o recuperación se puede calcular en términos de los radios Ri y Rf, como: 3

R Y R Y  Ri = 4 i  − 3  i  + 1 Rf  ET   ET  siendo T, el espesor de la lámina. Se puede observar que la recuperación elástica aumenta al incrementarse la relación R/T. Por lo común, la recuperación elástica en las operaciones de conformado se compensan sobredoblando la pieza.

Figura 13.7. Compensación de radio de giro de doblado

13.4 Embutido El embutido consiste en el conformado de chapas metálicas con espesores en el rango que va desde las décimas de milímetro (material de partida) hasta los 12 mm., para hacer piezas de forma acopada, de caja y otras formas huecas. Ejemplos de piezas obtenidas por embutición son: latas de bebida, utensilios de cocina partes de carroceras de automóviles, casquillos de municiones, etc. En el proceso básico de embutido profundo, se coloca una pieza en bruto de lámina metálica redonda sobre la abertura de una matriz circular y se mantiene en su lugar con una placa o anillo de sujeción. El punzón baja y empuja la lámina dentro de la cavidad de la matriz, formando una copa o depresión. Las variables importantes en el embutido profundo son las propiedades de la hoja metálica, el diámetro de la hoja metálica en bruto (Do); el diámetro del punzón (Dp); la holgura entre el punzón y la matriz; el radio de transición del punzón (Rp); la fuerza de la placa de sujeción; y el rozamiento y la lubricación entre todas las superficies en contacto [Figura 13.8.].

13.6

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Figura 13.8. (a) Proceso de embutición (antes y después), Pieza inicial y embutida; (b) Características del proceso de embutición

13.4.1 Fabricación de latas para alimentos y bebidas La fabricación de latas [Figura 13.9.] es una industria competitiva a nivel mundial, con casi 100 mil millones de latas para bebidas y 30 mil millones para alimentos, producidas cada año, sólo en EE.UU. Estos contenedores son fuertes y ligeros, y se encuentra bajo una presión interna de 0,6 MPa, de manera fiable y sin fugas. Los cuerpos embutidos se producen a partir de numerosas aleaciones, pero las más comunes son el aluminio 3004H19 y el acero A623 ASTM, con recubrimiento electrolítico de estaño. Las tapas de aluminio se utilizan para las latas tanto de acero como de aluminio y se producen de aluminio 5182H19 0 5182-H48. La tapa no solo debe cortarse con facilidad (ranuras curvas alrededor de la pestaña), sino que incluye un remache que se coloca en la tapa para mantener la pestaña en su lugar. Durante la operación de embutido profundo, el movimiento de la pieza en bruto dentro de la cavidad de la matriz induce esfuerzos circunferenciales de compresión en el reborde, que tienden a hacer que éste se pliegue durante el proceso. Este fenómeno se puede visualizar simplemente intentando forzar una pieza circular de papel dentro de una cavidad redonda, como un vaso para beber. Debido a las múltiples variables involucradas, es difícil calcular directamente la fuerza necesaria. Es evidente que la fuerza aumenta al incrementarse el diámetro, el espesor, la resistencia y la relación Do/Dp de la pieza en bruto. La pared de la copa se somete principalmente a un esfuerzo longitudinal (vertical) de tensión por la fuerza de la operación. La elongación debida a este esfuerzo hace que la pared de la copa se vuelva más delgada, y si es excesiva, puede ocasionar que la copa se desgarre.

13.7

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Figura 13.9. Procesos de conformado metálico en la manufactura de una lata de aluminio

13.4.2 Capacidad de embutido profundo En una operación de embutido profundo, el fallo suele ocurrir debido al adelgazamiento de la pared de la copa bajo los altos esfuerzos longitudinales de tensión. Si seguimos el movimiento del material conforme éste fluye dentro de la cavidad de la matriz, se puede ver que la hoja metálica debe ser capaz de soportar una reducción de la anchura por la reducción del diámetro, y también debe resistir el adelgazamiento por los esfuerzos longitudinales de tensión en la pared de la copa [Figura 13.10.(a)]. En general, la capacidad de embutido profundo se expresa mediante la relación límite de embutido (LDR en inglés), como: ฀฀฀฀ ฀฀฀฀฀฀ = ฀฀฀฀

En el embutido, las orillas de las copas pueden ondularse, fenómeno al que se llama borde ondulado u orejas [Figura 13.10.(b)]. Los bordes ondulados son elementos que han de ser eliminados, pues interfieren en el procesamiento posterior de la copa.

13.8

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(b)

(a)

Figura 13.10. (a) Distribución de esfuerzos en embutición; (b) defecto de borde ondulado en embutido profundo Se distinguen dos tipos de embutición: • Embutido perfecto o sin estirado [Figura 13.11.(a)]: el material se mueve libremente y las compresiones se compensan con los estiramientos, de modo que la superficie final de la chapa no varía, y si lo hace es muy ligeramente (el espesor de la chapa se considera que tampoco varía). • Embutido con estiramiento [Figura 13.11.(b)]: los bordes del material son inmovilizados, y la forma cóncava resultante se obtiene por estiramiento del material (con disminución del espesor y aumento de la superficie de la pieza previa). Se emplea para piezas grandes de relieve complicado y no demasiado profundo. En ocasiones se pretende efectuar embutidos perfectos, pero ello no resulta posible debido a la complejidad de algunas piezas. Existe también otro tipo de piezas, en las que su conformación exige la aplicación de varias fases. La primera suele ser de embutido sin estirado, y las sucesivas consisten en ir estirando la pieza resultante de la primera embutición hasta alcanzar la forma y espesores deseados.

(a)

(b)

Figura 13.11. (a) Embutido sin estirado; (b) Embutido con estiramiento (bordes del material inmovilizados) Es evidente que no todos los materiales son aptos para el embutido, y los que lo son (latón, acero suave y extrasuave, Al), se pueden clasificar en función del número de fases 13.9

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necesarias para alcanzar su conformado final. Los materiales al ser embutidos pierden parte de su ductilidad primitiva, por ello cuando es necesario embutirlos en fases, han de efectuarse tratamientos de recocido intermedios con el fin de eliminar la acritud y evitar agrietamientos en estas fases sucesivas. Las tolerancias de las piezas obtenidas se sitúan en el rango de las décimas de milímetro, y las rugosidades oscilan entre 0,4 y 12,5 µm. La lubricación es necesaria, ya que de no existir daría lugar a esfuerzos innecesarios, calentamientos excesivos, y por lo tanto piezas defectuosas.

13.5 Procesos de conformado con hule En los procesos descritos en las secciones precedentes, las matrices suelen fabricarse con materiales sólidos, como aceros y carburos. Sin embargo, es posible elaborar una de las matrices con material flexible (polímero natural o sintético), por lo común una membrana de poliuretano. Los poliuretanos se utilizan ampliamente debido a las siguientes cualidades: 1) Resistencia a la abrasión. 2) Resistencia al corte o desgarramiento por rebabas en la hoja metálica. 3) Larga resistencia a la fatiga.

13.5.1 Proceso Guerin En el conformado de chapa mediante este proceso, la matriz hembra se reemplaza con una cojín de hule grueso (u otro material flexible) para conformar la chapa sobre un punzón o bloque de forma positiva, como se muestra en la Figura 13.12. Se puede apreciar que la superficie exterior de la hoja se protege del daño, ya que no entra en contacto con una superficie metálica dura durante el conformado. El cojín de hule está confinado en un recipiente de acero.

Figura 13.12. Conformado de chapa con matriz de material flexible

13.5.2 Hidroformado El hidroformado es similar al proceso Guerin. La diferencia es que se sustituye el cojin grueso de hule por un diafragma o membrana de hule lleno con fluido hidráulico [Figura 13.13.]. Esto permite controlar la presión sobre la membrana de hule a lo largo del ciclo de conformado con una presión máxima de hasta 100 MPa.

13.10

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Este procedimiento permite un control muy estrecho de la pieza durante el conformado y evita los pliegues y el desgarramiento. Se obtienen embutidos más profundos que en el convencional, ya que la presión alrededor de la membrana de hule fuerza la chapa contra el punzón. El resultado es que aumenta el rozamiento en la interfaz punzón-chapa, que después reduce los esfuerzos de tensión longitudinal en la chapa y, de esta forma, retrasa la fractura.

Figura 13.13. Hidroformado El control de las condiciones de rozamiento en el conformado con hule, así como en otras operaciones de conformado de chapa, puede ser un factor crítico para fabricar piezas de forma satisfactoria. También es importante el uso de lubricantes apropiados y sus métodos de aplicación. En el hidroformado de tubos [Figura 13.14.], el tubo metálico se forma en una matriz y se presuriza internamente mediante un fluido. Este proceso puede formar tubos simples y diversas formas huecas intrincadas. Las piezas fabricadas por medio de este proceso incluyen los componentes de los escapes de automóvil y los componentes de estructurales tubulares. Si se seleccionan apropiadamente, los procesos de conformado con hule y de hidroformado tienen las siguientes ventajas: a) b) c) d) e) f)

Capacidad de obtener formas complejas Formación de piezas con chapas de diversos materiales y recubrimientos Flexibilidad y facilidad de operación Menores daños en la chapa Bajo desgaste de la matriz Bajo coste de equipos

Figura 13.14. Hidroformado de tubos

13.11

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13.6 Repujado (Spinning) El repujado es un sistema de conformación de chapas metálicas en un torno, deformándose mediante la compresión efectuada sobre la chapa por parte de herramientas adecuadas contra un modelo o matriz con la forma definitiva [Figura 13.15. y 13.16.]. Las formas que se pueden obtener a partir de una chapa plana son muy variadas aunque manteniendo una simetría axial.

Figura 13.15. Detalles del proceso de repujado

(a)

(b)

Figura 13.16. (a) Proceso de repujado; (b) Ejemplo de Piezas repujadas El repujado en metales se limita principalmente al trabajo de materiales blandos como latón, bronce, estaño, oro o plata. Las características principales son: • • • • • • • • • •

Se puede realizar tanto en frío como en caliente Se utiliza para obtener piezas solo de revolución. Suplanta al embutido. Es un 90% más barato en pequeñas producciones. Tiene una terminación imperfecta Hay elevación de la temperatura por la fricción. La matriz generalmente es de madera. No tiene espesor constante. Son más sencillas las piezas con grandes radios. Si la matriz es muy curva, se realiza un pre-estampado. La chapa se vincula con un tornillo a la matriz. La misma queda con el agujero. 13.12

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13.7 Procesos especializados de conformado 13.7.1 Conformado por explosión Por lo general, los explosivos se utilizan para demoler edificios, construir carreteras y en muchos otros propósitos destructivos. Sin embargo, si se controla su cantidad y forma, se pueden emplear como fuente de energía para el conformado de láminas metálicas. Utilizado por primera vez a principios de 1900, en el conformado por explosión, la lámina se sujeta por una matriz y el montaje completo se baja dentro de un tanque lleno de agua. Después se evacua el aire dentro de la cavidad de la matriz, se coloca una carga explosiva a cierta altura y se detona la carga [Figura 13.17.]. El explosivo genera una onda de choque con una presión suficiente para dar forma a las láminas metálicas. La presión pico (p) generada en el agua está dada por la expresión:

3W p = K   R

a

   

donde K es una constante que depende del tipo de explosivo, como 21600 para el TNT (trinitrotolueno), W es el peso del explosivo, R la distancia del explosivo a la superficie de la lámina metálica (llamada separación), y a una constante.

Figura 13.17. Conformado por explosión (a) de chapas; (b) de tubos Mediante el conformado por explosivos se puede producir una variedad de formas, considerando que el material es dúctil a las altas velocidades de deformación características de este proceso. Éste es versátil y virtualmente no existen límites para el tamaño de la lámina o placa. Resulta particularmente adecuado para pequeños lotes de producción de piezas grandes, como las utilizadas en aplicaciones aeroespaciales. Por medio de este método se ha dado forma a placas de acero de 25 mm. de espesor y 3,6 m de diámetro, y se han abombado tubos con espesores de pared de hasta 25 mm. Dependiendo del número de piezas a producir, las matrices pueden ser de aleaciones de Al, acero, hierro dúctil, aleaciones de Zn, hormigón reforzado, madera, plásticos o materiales compuestos.

13.13

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13.7.2 Fabricación de estructuras tipo panal Una estructura tipo panal consta básicamente de un núcleo de panal u otras formas corrugadas, unidos a dos delgadas capas exteriores [Figura 13.18.]. Debid...