INTRODUCCIÓN.
I TÉCNICAS DE CONFORMACIÓN DE PIEZAS METÁLICAS. HERRAMIENTAS Y ÚTILES.
A.- CONFORMACIÓN POR MOLDEO.
1.- Moldeo en arena.
2.- Moldeo en coquilla. B.-FORJA
C.- ESTAMPACIÓN. D.- EXTRUSIÓN
E.- LAMINACIÓN.
F.- ESTIRADO. G.- TREFILADO
II TÉCNICAS DE MECANIZADO DE PIEZAS METÁLICAS. HERRAMIENTAS Y ÚTILES.
A.-TORNEADO. B.- TALADRADO. C.- LIMADO.
D.- CEPILLADO. E.- FRESADO.
III TÉCNICAS DE UNIÓN DE PIEZAS METÁLICAS. HERRAMIENTAS Y ÚTILES.
A.- SOLDADURA.
1.- Soldadura blanda.
2.- Soldadura fuerte.
3.- Soldadura por arco eléctrico.
4.- Soldadura por resistencia.
5.- Soldadura oxiacetilénica.
6.- Soldaduras en frío.
B.- REMACHADO Y ROBLONADO. C.- UNIONES DESMONTABLES.
1.- Elementos roscados.
2.- Elementos no roscados.
CONCLUSIÓN.
INTRODUCCIÓN.
No cabe duda de que uno de los factores que determina la gran importancia de los metales es su facilidad de mecanizado y conformado, y de unión, para obtener piezas de variadas geometrías. Si un metal se somete a una serie de esfuerzos, se altera el equilibrio de la red cristalina y se producen desplazamientos atómicos. De este modo se pueden originar dos tipos de deformaciones:
• Elásticas: al cesar la fuerza exterior, los átomos recuperan su posición inicial de equilibrio.
• Plásticas: los átomos no recuperan su posición inicial, y la deformación pasa a ser permanente.
Los procesos de conformación suelen llevarse a cabo mediante procesos de deformación plástica. Según la temperatura a la que se realice el proceso de deformación, se puede distinguir:
– conformación por deformación en frío, si se realiza por debajo de la temperatura de recristalización del metal.
– conformación por deformación en caliente, si se realiza por encima de la temperatura de recristalización.
La conformación por arranque de material, o mecanizado, se lleva a cabo con piezas que se encuentran ya casi totalmente elaboradas por moldeo, laminación, forja… y que consiste en quitarles el material sobrante con objeto de darles forma definitiva.
Por regla general, las máquinas y estructuras no son un todo único, sino que están constituidas por piezas unidas entre sí, que en ocasiones se pueden separar sin experimentar deterioro alguno, mientras que en otros casos la unión entre ellas es permanente. Veremos en el tema las principales formas de unión. Ejemplos variados de todo tipo de uniones los podemos encontrar en nuestros propios hogares: armarios, lámparas, el ordenador personal, etc.
1 TÉCNICAS DE CONFORMACIÓN DE PIEZAS METÁLICAS.
HERRAMIENTAS Y ÚTILES CARACTERÍSTICOS.
Las técnicas que se van a tratar en este apartado tiene por objeto deformar los materiales metálicos, en frío y en caliente, sin necesidad de arrancar virutas. Se trata pues de lo que se denomina conformación por deformación del material.
A.- CONFORMACIÓN POR MOLDEO.
La fabricación de piezas metálicas de una forma y tamaño definidos, fundiendo un metal o aleación y vertiéndolo en moldes construidos previamente, es la técnica que se designa con el nombre de conformación por moldeo.
El moldeo es una técnica que consiste en calentar un material hasta su punto de fusión, y en ese momento verterlo en un molde con la forma de la pieza que se pretende obtener. También se conoce con el nombre de colada.
1.- Moldeo en arena.
Los moldes se fabrican con arena, cuyos granos se aglomeran con una cierta cantidad de agua y arcilla. Aunque la arena se puede reutilizar, presentan el inconveniente de que el molde se destruye en el proceso de desmoldeo, y es necesario construir uno para cada pieza.
El proceso de moldeo en arena se realiza a través de los siguientes pasos sucesivos, que aparecen esquematizados en las ilustraciones:
A) Se divide el modelo por la mitad, se coloca en una caja, se rellena de arena y se apisona fuertemente para que no se desmorone la arena
B) Se repite el proceso con la otra mitad del modelo, incorporando en este caso el bebedero, al mazarota y el canal de colada.
• Bebedero. Es un conducto en forma de embudo por donde se vierte el material fundido con objeto de rellenar el molde.
• Mazarota. Es un conducto que comunica el exterior con el molde, para la evacuación de gases durante el llenado.
• Canal de colada. Sirve para conducir el metal fundido desde el bebedero al molde.
C) Se abre el molde.
D) Se vierte el metal fundido, se deja transcurrir el tiempo necesario para que el metal solidifique, a continuación se rompe el molde y se extrae la pieza.
Se trata de un proceso económico y apropiado para todo tipo de metales, pero hay que construir un molde para cada pieza porque se rompen en el desmoldeo.
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2.- Moldeo en coquilla.
Las coquillas son unos moldes metálicos permanentes, que permiten obtener un número muy elevado de piezas utilizando el mismo molde. Al ser el metal mejor conductor que la arena, el proceso de enfriamiento es más rápido. Con este tipo de moldeo se consigue una mayor precisión de las piezas, lo que reduce bastante el mecanizado posterior y mejora considerablemente el aspecto superficial.
Según la forma de hacer la colada (proceso de llenado del molde), existen tres modalidades de moldeo en coquilla:
¾ Colada por gravedad. Se realiza por acción exclusiva de la gravedad, sin aplicar presión suplementaria alguna.
> Colada bajo presión. El metal se introduce en el interior del
molde bajo presión, como se observa en la ilustración. Se utiliza especialmente en la fabricación de piezas pequeñas, como por ejemplo las piezas para automóviles.
Se realiza mediante máquinas, que pueden ser de dos tipos:
• De cámara fría. El horno donde se encuentra el metal fundido y la unidad de inyección están totalmente separados.
• De cámara caliente. El horno y la unidad de inyección forma un único elemento.
Presenta la ventaja de que pueden fundirse piezas de formas complicadas de manera económica, pero los moldes solo resultan rentables para una gran producción.
Colada centrífuga. Se realiza haciendo girar el molde alrededor de un eje de simetría, con lo que la fuerza centrífuga obliga al metal fundido a rellenar todas las cavidades del mismo. Se utiliza principalmente para piezas de revolución
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B.- FORJA.
Procedimiento que se aplica a los metales, normalmente en caliente, y que consiste en darles forma sometiéndolos a esfuerzos violentos de compresión, que pueden ser repetitivos o continuos.
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La forja es el procedimiento más antiguo de trabajo de los metales, por lo que antiguamente se realizaba a mano. El herrero calentaba la pieza en una fragua de carbón y una vez alcanzaba la temperatura idónea lo sacaba con unas tenazas y lo golpeaba con un martillo hasta darle la forma deseada.
Hoy en día se realiza la forja mecánica, para la cual se emplean fundamentalmente dos tipos de máquinas:
– Martillos o martinetes. Realizan la compresión necesaria para la forja por medio de golpes sucesivos y repetitivos. Pueden ser hidráulicos, mecánicos, neumáticos o de vapor.
– Prensas. La compresión del metal en la forja no se produce por choque, sino por presión progresiva y continua. Las prensas pueden ser accionadas de forma mecánica o hidráulica.
C.- ESTAMPACIÓN.
Es el modelado de piezas previamente laminadas. Consiste en someter un metal a un esfuerzo de compresión entre dos moldes de acero, que se denominan estampas.
Las dos piezas que forman la estampa están constituidas por un bloque de acero rectangular o cilíndrico, según la forma de la pieza que se desea estampar, con el hueco –molde- para el material grabado en cada una de las estampas. Se realiza en caliente.
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Se puede realizar también la estampación en frío, aunque no es adecuada para todo tipo de metales. De esta forma se realizan la mayoría de las chapas que constituyen la carrocería de un automóvil, piezas de aviones, electrodomésticos, etc.
D.- EXTRUSIÓN.
La extrusión es un proceso continuo para conformar los metales y las aleaciones, haciéndolos fluir a presión por medio de un émbolo, como se observa en la ilustración. Se puede realizar en caliente y en frío.
La extrusión en caliente tiene mucha más aplicación. Los metales se hacen fluir a presión a temperaturas comprendidas entre la de recristalización y la de fusión. Permite la obtención de toda clase de perfiles: angulares, tes, tubos, molduras de cualquier forma, etc.
Para la extrusión en frío es necesario emplear materiales muy dúctiles (plomo, estaño, aluminio, zinc, etc.). Se aplica en la fabricación de tubos de pomadas, pegamentos, vainas de pilas cilíndricas, condensadores, etc.
E.- LAMINACIÓN.
Es un proceso de conformación plástica en el que el material se deforma al pasar entre dos cilindros superpuestos que giran en sentidos contrarios. A través de sucesivas pasadas se reduce el espesor del material de partida, y se adapta su forma para obtener barras, planchas o perfiles. Los cilindros de laminación son accionados por motores eléctricos.
Se puede realizar en caliente y en frío. En este caso, al presentar los materiales más resistencia a deformarse, deben someterse después de la laminación a un proceso de recocido para eliminar las tensiones resultantes.
No se consigue normalmente una reducción grande del espesor en una sola pasada por los cilindros, por lo que en muchas ocasiones resulta necesario realizar una serie de pasadas sucesivas y escalonadas, lo que se lleva a cabo por medio de los trenes de laminación, como en la ilustración.
Se denomina tren de laminación al conjunto formado por varios laminadores o cajas de laminación, dispuestos de manera que el material pase sucesivamente a través de ellos, hasta obtener el perfil o la forma deseada.
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F.- ESTIRADO.
El estirado es un proceso de conformación plástica por medio del cual se produce una disminución de la sección de un material determinado, modificando sus propiedades mecánicas; esto se consigue haciéndolo pasar a través de unos orificios calibrados que se denominan hileras. El objetivo del estirado es calibrar, endurecer el material, o dar una forma determinada a una barra mediante adelgazamiento. Se realiza en unas máquinas horizontales denominadas bancos de estirar.
Los materiales deben ser lo suficientemente dúctiles y tenaces para poder ser sometidos a estirado.
G.- TREFILADO.
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El trefilado consiste en reducir en grosor de un producto metalúrgico (una barra de metal dúctil, alambre laminado…) haciéndolo pasar, mediante tracción, por unos agujeros calibrados.
Al igual que el estirado, el trefilado tiene por objeto alargar un material. Se utiliza para la fabricación de alambres por adelgazamiento, de redondos de metales y aleaciones dúctiles, estirándolos mediante pasos sucesivos a través de hileras.
2 TÉCNICAS DE MECANIZADO DE PIEZAS METÁLICAS.
En este apartado se van a tratar las operaciones de conformación por arranque de material, que consiste en realizar el arrancado del material sobrante en forma de virutas o diminutas partículas, para, de esta manera, obtener la pieza deseada de acuerdo con el plano.
El corte de materiales se realiza con la ayuda de unas máquinas que se denominan máquinas herramienta. Esta operación de rebajado de material en una pieza por medio de una herramienta cortante se conoce como mecanizado.
A.- TORNEADO.
Consiste en fabricar piezas de revolución, es decir, piezas cuya sección transversal tiene forma circular. La rotación es la operación más básica que se lleva a cabo en un torno. A la pieza metálica que se trabaja en la máquina se le dá forma mientras se la hace girar en contacto con una herramienta cortante. Existen muchos tipos de tornos, pero el más utilizado es el torno cilíndrico. Su utilización es muy versátil, se emplea no sólo para piezas de revolución ( como se puede ver en la ilustración) sino también para otras muchas aplicaciones, como son la realización de ranuras (diagrama 4) o roscas (diagrama 5) en determinadas piezas.
B.- TALADRADO.
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Consiste en perforar piezas metálicas y no metálicas por medio de una herramienta denominada taladro. La perforación se hace mediante el giro de la broca. La broca es una barrena cilíndrica de acero rápido, en cuyo extremo inferior hay unos bordes afilados que al girar cortan el material. En ella se han practicado dos ranuras helicoidales que sirven para guiar las virutas arrancadas.
Para llevar a cabo la operación de taladrar es necesario fijar la pieza a la mesa (nunca debe estar sujeta con las manos). El centro del agujero, que debe estar situado exactamente debajo de la punta de la broca, se puntea previamente con un punzón. A continuación se elige la broca adecuada, montándola correctamente en el portabrocas, y se selecciona la velocidad de giro, la cual determina a su vez el corte.
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D.- CEPILLADO.
C.- LIMADO.
El limado es una operación para mejorar el acabado superficial de los productos. Se utiliza para suavizar superficies, eliminar rebabas, rasurado de ejes, estampas, etc. Se realiza mediante las limadoras, que están formadas por una bancada, en la que se soportan todos los mecanismos de la limadora, y que dispone de una serie de guías horizontales y verticales para poder desplazar el portaherramientas, donde se sitúa la herramienta de corte.
Se trata de una operación de arranque de viruta. Se realiza en la cepilladora, que al igual que la limadora, dispone de una bancada, la mesa y un carro portaherramientas. En este caso la herramienta permanece fija, siendo la pieza la que se mueve debajo mediante un movimiento rectilíneo.
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E.- FRESADO.
El fresado se lleva a cabo mediante una herramienta denominada fresa, la cual se mueve con un movimiento de rotación, mecanizando superficies de piezas que se desplazan bajo la herramienta con movimiento rectilíneo.
Las partes principales de una fresadora son:
• Mesa. En ella se apoya la pieza objeto de fresado.
• Base. Placa que sirve de apoyo a la máquina, no sale en la figura.
• Cuerpo. Constituye la bancada, donde se localizan las guías y los mecanismos de accionamiento.
• Eje portafresas. Recibe el movimiento de rotación del mecanismo de accionamiento del cuerpo de la fresadora.
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Tipos de fresas, figura de la derecha:
– Fresa de disco. Forma de disco con dientes en la periferia. Se usa para el fresado en tallas y ranuras.
– Fresa cilíndrica. Análoga a la de disco, pero de gran espesor.
– Fresa cilíndrica frontal. Presenta también dientes en una de las dos bases.
– Fresa de espiga. Cilíndrica y estrecha.
3 TÉCNICAS DE UNIÓN DE PIEZAS METÁLICAS. HERRAMIENTAS Y ÚTILES CARACTERÍSTICOS.
La mayoría de las máquinas y estructuras no se fabrican como un todo único, sino que se forman a partir de muchas piezas que se unen entre sí. Estas uniones pueden ser desmontables o fijas, según las piezas puedan o no ser separadas de nuevo con facilidad.
A.- SOLDADURA.
La soldadura es un proceso de unión entre metales por la acción del calor, con o sin aportación de material metálico nuevo, dando continuidad a los elementos unidos. Se puede realizar por interposición entre las partes a unir de un metal de distinta naturaleza, o bien fundiendo parcialmente las superficies que se van a unir.
Existen muchas formas de soldadura, blanda, fuerte, oxiacetilénica, por arco eléctrico, por resistencia… Veamos algunas de ellas:
1.- Soldadura blanda.
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Es una soldadura con material de aportación, y que se realiza a temperaturas por de bajo de los 400ºC. El material más empleado son las aleaciones de estaño y plomo. Es una soldadura muy fácil de realizar, aunque las uniones no resisten grandes esfuerzos.
Para realizar una correcta soldadura deben limpiarse las superficies y recubrirlas con una capa de material fundente, normalmente resina, para así eliminar el óxido. A continuación se calientan las superficies con un
soldador, y cuando alcancen la temperatura de fusión del metal de aportación se aplica éste, que
corre libremente por las superficies, y se endurece cuando se enfría. Para llevarla a cabo se utiliza una lámpara de butano y un soldador eléctrico como el de la figura (generalmente basan su funcionamiento en una resistencia alojada en una pieza tubular refractaria).
2.- Soldadura fuerte.
Similar a la blanda pero que se alcanzan temperaturas de hasta 800 ºC. Como metal de aportación se suelen usar aleaciones de plata, cobre y zinc, y como material fundente bórax. Un soplete de gas aporta el calor necesario para la unión. Se usa este tipo de soldadura cuando se exige una resistencia considerable en la unión de dos piezas metálicas.
3.- Soldadura por arco eléctrico.
El procedimiento de soldadura por arco consiste en provocar la fusión de los bordes que se desea soldar mediante el calor intenso desarrollado por un arco eléctrico. Los bordes de las piezas se mezclan íntimamente, formando al enfriarse una pieza única resistente y homogénea.
4.- Soldadura por resistencia.
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Se basa en el efecto Joule: el calentamiento se produce al pasar una corriente eléctrica a través de la unión de las piezas.
En la figura: las dos piezas se sujetan entre mordazas por las que se pasa la corriente, las cuales están conectadas a un transformador que reduce la tensión de red a la de la soldadura. Las superficies a unir, a consecuencia de la elevada resistencia la paso de la corriente, se calientan hasta la temperatura conveniente para la soldadura. En ese momento se interrumpe la corriente, y se aprietan las dos piezas.
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5.- Soldadura oxiacetilénica.
El calor aportado en este tipo de soldadura se debe a la reacción de combustión del acetileno, que es muy exotérmica:
2 C2H2 + 5 O2 → 4 CO2 + 2 H2O – 1300KJ/mol
Para llevarla a cabo se necesita:
– Botella de acetileno disuelto en acetona.
– Botella de oxígeno a gran presión.
– Soplete.
6.- Soldaduras en frío.
La soldadura en frío es un tipo de soldadura donde la unión entre los metales se produce sin aportación de calor, y puede resultar muy útil en aplicaciones en las que sea fundamental no alterar la estructura o las propiedades de los materiales que se unen. Se puede realizar de diferentes maneras:
– Por presión.
– Por fricción.
– Por explosión. La unión se produce por la energía suministrada por la detonación de un explosivo, que ocasiona el desplazamiento de una superficie a lo largo de la otra a gran velocidad. En el punto de colisión se produce la soldadura.
– Por ultrasonidos. Los metales se unen por medio de una energía vibratoria acústica de alta frecuencia.
B.- REMACHADO Y ROBLONADO.
El remachado es un procedimiento de unión fija entre dos piezas, por lo general de poco espesor, que consiste en agujerear todas las piezas que hay que unir, y atravesar los orificios con unas varillas metálicas, las cuales se sujetan en sus extremos con una cabeza para comprimir las piezas a unir. A la varilla que sirve de elemento de unión se le llama roblón o remache.
C.- UNIONES DESMONTABLES.
Este tipo de uniones permite separar las piezas sin romper su medio de unión.
1.- Elementos roscados.
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La utilización de elementos roscados, como son tornillos y tuercas, como elementos de unión de diferentes partes de una máquina está muy extendida. Existen infinidad de modelos y medidas de elementos roscados.
• Tornillos y tuercas. Un tornillo es un cuerpo cilíndrico con una cabeza en su extremo para su enroscado. El otro extremo sirve para encajar, mediante esfuerzos de presión y giro, en una tuerca.
• Pernos. Son piezas largas y cilíndricas parecidas a los tornillos.
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• Tirafondos. Son piezas utilizadas frecuentemente para unir piezas de madera, proporcionándoles una unión más segura que los clavos. Los hay que sobresale la cabeza y otros que no.
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• Prisioneros. Son pequeños tornillos que se enroscan en una pieza traspasándola, de forma que se evita que una pieza pueda girar o desplazarse longitudinalmente respecto a la otra, como puede verse en la figura.
2.- Elementos no roscados.
• Pasadores. Son varillas metálicas de secciones variadas, aunque usualmente circulares, que realizan la unión de las piezas pasando a través de ellas.
• Chavetas. Son piezas prismáticas en forma de cuña, capaces de transmitir esfuerzos entre las dos piezas que unen. Se introducen en un entalle practicado en la pieza, denominado chavetero.
• Guías. Son piezas que se emplean en las máquinas y en otros aparatos para permitir que una pieza se desplace en una dirección determinada con respecto a otra fija. Las guías pueden presentar formas distintas, algunas de las cuales se reproducen en la figura.
CONCLUSIÓN
Aunque diversos procesos de deformación (forja, estampación, extrusión, laminación, estirado, etc.) resultan de la mayor importancia por su aplicación en la tecnología actual para la obtención de todo tipo de piezas metálicas, los orígenes de algunos de ellos, como la forja, tienen una antigüedad de varios milenios.
(Posibilidad: mapa conceptual).
BIBLIOGRAFÍA
– William F. Smith. “ Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales” Ed. McGraw Hill.
– Fidalgo Sanchez, José Antonio. “Tecnología Industrial I” Ed. Everest.
– Garratt James; Perrucha Sanz, Alfredo; “Tecnología” 3º E.S.O. Ed. Akal.
– Temario oposiciones de enseñanza secundaria, especialidad Tecnología. Ed MAD.
