Tema 44 – Conformados metálicos. Tipos de conformado: laminación, forja, estampado, recalcado, extrusión y otros. Teoría de la conformación plástica. Procedimientos y medios operativos. Aplicaciones. Posibles defectos y modos de evitarlos.

INDICE.

1. INTRODUCCION

2. TEORÍA DE LA DEFORMACIÓN PLÁSTICA

3. TIPOS DE CONFORMADO METÁLICO, PROCEDIMIENTOS OPERATIVOS Y APLICACIONES DE LOS MISMOS

3.1 Laminación

3.1.1 Laminación en caliente

3.1.2 Laminación en frío

3.2 Forja

3.3 Estampación

3.3.1 Estampación propiamente dicha

3.3.2 Punzonado o troquelado

3.3.3 Doblado o curvado

3.3.4 Embutición

3.4 Recalcado

3.5 Extrusión

4. POSIBLES DEFECTOS Y MODOS DE EVITARLOS

5. CONCLUSIÓN

1. INTRODUCCIÓN

Todas las piezas metálicas, excepto las piezas fundidas, en algún momento de su fabricación han estado sometidas, al menos, a una operación de deformación mecánica. Dentro de los procesos de conformación de metales, adquieren un lugar destacado los procesos de conformación por desplazamiento. Partiendo de una preforma, el material toma otra forma gracias a un mutuo desplazamiento de partículas sin perder su cohesión Este es el caso de la laminación, forja, estampado, extrusión, recalcado…etc.

Todos estos métodos de trabajo permiten economizar mucho tiempo y dinero, siendo la tendencia actual el perfeccionamiento en métodos e instalaciones, dando como consecuencia el que muchas piezas que clásicamente se han obtenido por arranque de viruta hoy se fabrican por deformación plástica.

2. TEORÍA DE LA CONFORMACIÓN PLÁSTICA

Como paso previo a estudiar los diferentes tipos de conformación vamos a explicar los cambios que le suceden al material durante su deformación.

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 tanto, si una pieza metálica está sometida a esfuerzos exteriores, se vencen dichas fuerzas, se altera el equilibrio y se producen desplazamientos atómicos, que originan deformaciones de dos clases:

Elásticas, si los átomos recuperan la posición inicial de equilibrio cuando cesan las fuerzas exteriores.

Plásticas, el caso que nos ocupa, cuando se supera el límite elástico del material y la deformación es permanente.

La deformaciones plásticas provocan gran alteración en la estructura del material y por ende, en sus propiedades; cambios que se hacen más o menos sensibles si se realizan a altas o bajas temperaturas. Cuando la deformación se realiza por debajo de la Tª de recristalización se hablará de deformación en frío y por encima de deformación en caliente.

En el trabajo en frío el material acumula energía, aumentando su dureza y la resistencia a la deformación; es lo que conocemos con el nombre de ACRITUD. Estos procesos continuados vuelven el material quebradizo y difícil de trabajar por lo que se deben realizar recocidos contra acritud intermedios para aumentar su plasticidad y ductilidad.

Si por el contrario, el proceso se realiza en caliente se incrementa la movilidad atómica y se disminuye el esfuerzo necesario para producir la deformación. El trabajo en caliente es equivalente estructuralmente a un recocido, es decir, se obtiene un grano más fino, materiales más blandos y dúctiles y además se eliminan las direcciones principales típicas del trabajo en frío.

3. TIPOS DE CONFORMADO METÁLICO. PROCEDIMIENTOS, MEDIOS OPERATIVOS Y PRODUCTOS OBTENIDOS.

Con arreglo a la clase de producto que se desea obtener y la clase de esfuerzo principal realizado, los procedimientos pueden clasificarse de la siguiente manera:

3.1 LAMINACIÓN

La laminación es un proceso de conformación plástica en el que una preforma metálica fluye de modo continuo y en una dirección preferente a través de cilindros. Las fuerzas de compresión y cizallamiento originadas provocan el alargamiento del material en sentido longitudinal así como un ensanchamiento y por ende una disminución de la sección.

Los procesos de laminación se realizan en una unidad elemental de laminación o en el acoplamiento de varias de estas (trenes de laminación), hasta conseguir la sección deseada. Las unidades elementales están constituidas por un par de rodillos, al menos, que giran en sentido inverso, presionan el material y modifican la distancia entre sus ejes.

Existen multitud de configuraciones de unidades y trenes, buscando diferentes fines, así podemos nombrar: los laminadores universales, los reversibles (si el material puede pasar en ambos sentidos), los trenes de acabado (dando productos terminados), trenes continuos o americanos…etc.

Este proceso puede realizarse frío o en caliente:

3.1.1 Laminación en caliente.

La deformación se produce a temperatura entre la recristalización y la de fusión del constituyente más bajo; por consiguiente no se produce acritud y se pueden obtener así grandes reducciones de espesor. La fluidez del material, por la gran presión, crea una estructura fibrosa, eliminándose así sopladuras y faltas de homogeneidad con la consiguiente mejora de las características mecánicas.

3.1.2 Laminación en frío

Va a producir siempre acritud, endureciendo el material y perdiendo ductilidad y maleabilidad. Además, la deformación puramente mecánica, produce una orientación de la red cristalina en la dirección de laminación, lo cual hace que el material presente siempre anisotropías, es decir, direcciones preferentes en sus propiedades mecánicas. El laminado en frío se usa casi exclusivamente para el laminado de chapa.

Mediante laminación se van a obtener dos grupos de productos metálicos:

Semi-productos como tochos, palanquillas, llantones…etc., es decir, preformas que serán acabadas en un siguiente proceso conformación.

Productos terminados como chapas, flejes, redondos, perfiles angulares, en T, doble T, en U…y una amplísima variedad de formas comerciales.

3.2 FORJA

Usada desde hace varios milenios, la forja es un procedimiento de conformación en el cual se somete a los metales a esfuerzos de compresión repetidos y/o continuos generalmente en caliente. Gracias a la temperatura no sólo pueden darse a los metales grandes deformaciones con pequeños esfuerzos, sino que la deformación es prácticamente ilimitada. Al igual que en la laminación, también se producirá aquí la eliminación de defectos internos y el afinamiento del grano.

La conformación por forjado de grandes piezas o el forjado en serie se realiza siempre con la ayuda de las máquinas: los martinetes que producen la deformación de forma violenta, por choque, y las prensas donde la presión se realiza lentamente, de forma cuasi estática.

Los martinetes, constan de una gran maza de alto peso (pilón) que se mueve verticalmente entre guías y choca contra la pieza situada sobre el yunque o chabota. La forma de accionar la maza es lo que sirve para clasificar los martinetes, pudiendo distinguir entre los mecánicos de caída libre y ballesta o los neumáticos donde la maza es solidaria al émbolo de un cilindro neumático.

En las prensas la maza es sustituida por un carro que actúa por presión progresiva. Además, la corredera de la prensa está siempre bajo control, cosa que no ocurre con el martinete de caída libre. La prensas empleadas pueden ser mecánicas (de fricción o excéntricas) o hidráulicas (las más utilizadas actualmente).

Mediante forja se fabricación gran cantidad de componentes de alta resistencia para automóviles, trenes, piezas de máquinas y otras aplicaciones. En otras ocasiones se forjan preformas que reciben su forma final por mecanizado.

La forja puede ser libre o con estampa. La primera no impone ninguna forma específica a la herramienta; la segunda requiere la construcción de una estampa que reproduce la forma y dimensiones de la pieza a forjar

3.3 ESTAMPACIÓN

Como decimos, una variante del proceso de forja es la estampación. En ella el material fluye entre las dos partes de una estampa o matriz adoptando la forma buscada. La parte superior, conocida como punzón se sujeta al pilón del martinete o a la maza de la prensa y la inferior, contraestampa, se fija a la chabota o mesa respectivamente. El metal al que va a darse forma, que suele ser una pieza en bruto recortada o una lámina, se coloca sobre la matriz en la parte inferior.

Dependiendo de la forma y el objetivo de las estampas podemos diferenciar entre:

3.3.1 La estampación propiamente dicha, se suele realizar en caliente y en ella la pieza adquiere la forma que le dictan el punzón y la contraestampa. El hueco entre las estampas deberá ser ligeramente superior al tamaño de la pieza forjada para permitir operaciones posteriores de descascarillado, mecanizado y acabado superficial. Con ella se le da forma a piezas en bruto para la fabricación de piezas de aviones, carrocerías de automóviles, aparatos electrodomésticos…

3.3.2 Troquelado o punzonado. Aquí, durante la compresión se supera el límite de rotura del metal, produciéndose la perforación de la pieza justo con la forma que dictan las estampas. Esta operación se suele realizar con gran violencia y en frío. Existen máquinas específicas (punzonadoras) que realizan estas operaciones de forma muy rápida y precisa.

Con ello se obtienen chapas perforadas para miles de aplicaciones dentro de la industria frigorífica, la construcción, la automoción…etc.

3.3.3 Doblado o curvado. Mediante este proceso se transforman las chapas planas en otras quebradas o formas angulosas o curvas dependiendo de la forma de las matrices. Al igual que ocurre con el punzonado, existen gran variedad de maquinaría (dobladoras) con esta función específica mucho mayor rendimiento que los obtenidos usando el martinete o la prensa.

3.3.4 Embutición. La presión ejercida por el punzón fuerza al metal a desplazarse entre el punzón y la estampa inferior, provocando un cuerpo hueco. Lógicamente el material a embutir ha de poseer muy alta ductilidad para permitir tan altas deformaciones.

Si la operación tiene como misión alargar un hueco ya existente se conoce al proceso como estirado. Las piezas comunes que se hacen por embutido son latas de bebidas, casquillos de municiones, fregaderos, bañeras, utensilios de cocina…

3.4 RECALCADO

Consiste en una acumulación de material en una zona limitada de un producto semiacabado, generalmente en forma de palanquilla o barra redonda. Se realiza por compresión axial por lo que se produce simultáneamente un acortamiento. Ejemplos de este método de conformación son cabezas de tornillos, pernos, roblones clavijas…etc.

3.5 EXTRUSIÓN

La extrusión es un método en el que mediante un émbolo o pistón, se presiona un tocho de material en forma de pastilla de grandes dimensiones. Las altísimas presiones de la operación crean un estado de tensiones que provocan la fluencia del material obligando al material a salir a través de una matriz y adquirir en su salida la forma de esta.

Naturalmente se producen unas elevadas fuerzas de rozamiento en la salida que tendrán que ser absorbidas por los elementos del proceso: matrices, contenedores, pistones…etc. por lo que la lubricación de todas estas partes es fundamental. El calor facilita la fluencia y disminuye las presiones y fuerzas necesarias, por lo que de forma general el proceso se realiza en caliente.

Dependiendo del movimiento del material con respecto del émbolo distinguiremos entre:

Extrusión directa, donde el material se mueve en igual dirección y sentido que el émbolo. Para ello se coloca el tocho en un contenedor, donde en uno de sus extremos se acopla la matriz. En el otro extremo se encuentra un émbolo de diámetro ligeramente inferior al contenedor que presiona el material fluyendo en el otro extremo a través de la matriz.

Extrusión inversa. En este caso el sentido de salida del perfil será el contrario al empuje del pistón. Para ello el contenedor se encuentra cerrado en un extremo y el metal se fuerza a salir hacia atrás, pasando por la matriz situada en el extremo del émbolo. Por supuesto ahora el pistón es hueco para permitir la salida del metal. La ventaja de esta configuración es la reducción de rozamiento en las partes nombradas.

Por una u otra técnica, la variedad de productos extruídos en caliente es inmensa: tubos redondos, con aletas, con nervios medias cañas, junquillos y en general, entre unos límites, perfiles cualquier forma. Los materiales extruídos más comúnmente son las aleaciones de Al, Mg y aceros.

En ocasiones la extrusión se realiza en frío. Cuando la velocidad de salida con que se ejerce la presión es muy alta, se habla de extrusión por impacto, utilizada para producir recipientes de paredes flexibles como tubos de pasta de dientes, cremas, pegamentos…etc. y siempre con metales blandos (Al o Pb).

3.6 ESTIRADO Y TREFILADO

Son dos procedimientos de conformación por deformación plástica casi idénticos que se basan en hacer pasar el material por una matriz o hilera de forma determinada.

La diferencia entre ambos procedimientos, estriba en la finalidad perseguida: en el estirado se efectúa la reducción de la sección para obtener formas y dimensiones determinadas mientras que en el trefilado se desea reducir la sección (exclusivamente circular) al máximo formando filamentos o alambres.

Para la realización de ambos procedimientos se hace necesaria la eliminación de la escoria procedente del laminado previo mediante decapado.

Las máquinas para realizar la operación constan al menos de:

ÞDevanadora, donde se coloca la bobina con el material

ÞHilera, a través de las cuales se estira y se estrecha la sección.

ÞBobina de arrastre que tira del material.

Puesto que estas operaciones se realizan en frío, será necesario realizar recocidos intermedios y finales del alambre. También es muy común operaciones de pulido o revestimiento superficial, como rectificados, esmaltados o galvanizados.

4. POSIBLES DEFECTOS Y MODOS DE EVITARLOS

Uno de los inconvenientes del trabajo en caliente es la oxidación superficial que se produce, con la inevitable formación de cascarilla. Esto impide trabajar con tolerancias estrechas. Este problema se solventa decapando las superficies con medios ácidos tras el enfriamiento. También si se fuerza la temperatura, pueden tener lugar descarburaciones con los perjuicios que ello conlleva.

Por contra el trabajo en frío implica el endurecimiento por acritud mencionado anteriormente.

En el proceso de laminación es común la diferencia de grosores en la pieza laminada debido a la flexión de los tambores de laminación. Es necesaria mayor rigidez de los mismos.

Debido a la considerable deformación asociada a los procesos de extrusión, pueden ocurrir numerosos defectos como grietas interna en el perfil, conocido como reventado central debido a elevadas longitudes de extrusión, el tubificado o bolsa de contracción, típica de la extrusión directa y por último el agrietado superficial resultado de las altas temperaturas de trabajo.

Un problema típico del trefilado es el calentamiento del alambre debido al rozamiento, este problema se solventa mediante el uso de lubricantes.