República Bolivariana
de Venezuela
Ministerio del Poder Popular Para la Educación Universitaria
Ministerio del Poder Popular Para la Educación Universitaria
Instituto
Universitario Politécnico “Santiago Mariño”
Escuela: 45 – S
Catedra: Proceso de
Manufactura
Enero 2015
Bachiller:
Karyangel Reyes
Karyangel Reyes
Proceso de Conformado
De Los Metales
Dato Curioso:
En
1650, el matemático francés Blaise Pascal, enunció el principio de la prensa
hidráulica, pero no se utilizaría para aplicaciones industriales hasta 1770,
año en el que Bramach patentaba en Londres una prensa hidráulica. Años después
se utilizaría en Francia para el acuñado de moneda.
Fueron
los hermanos Perier quienes, algunos años más tarde, desarrollaron la máquina
de Bramah permitiendo alcanzar presiones más altas (sobre 70 kg/cm2), haciéndola
apta para trabajos más duros, como la deformación de plomo. La aplicación de la
prensa hidráulica para el trabajo del hierro no se produce hasta mediados del
siglo XIX, la aparición del modelo desarrollado por el austriaco Haswell, de
mucho mayor tamaño y capacidad de presión a partir de entonces la prensa
hidráulica, gracias a la altísima fuerza resultante conseguida, se generaliza
para operaciones de elevadas solicitaciones, como el embutido profundo. Luego
esta fue evolucionando hasta llegar a utilizar un sistema de palancas ejercidas
por la fuerza humana las cuales utilizaban válvulas que reemplazaron al
tornillo o perno.
Dato Curioso:
Se
conoce que el trabajo metálico de láminas es uno de los procesos de
transformación de los materiales que son más utilizados en la industria. Conformado
por operaciones de corte y formado (plegado y embutido) que se realizan en frío
sobre chapas delgadas de metal que provienen del proceso de laminado, cuyo
espesor varía, por lo general, de 0,4 mm a 6 mm.
Las
máquinas que realizan estos trabajos son las prensas.
Prensa
En
el latín es donde se halla el origen etimológico de esta palabra, este se
encuentra en el verbo premere que es sinónimo de “apretar” y de él emanó a su
vez el término catalán premsa, máquina para comprimir.
La
prensa es un dispositivo que se utiliza para compactar.
Balancines o prensas
excéntricas.
En
algunos países estos dos términos se manejan como sinónimos. En otros, se
reconocen diferencias mínimas entre ambos, en el sentido que los balancines
ejercen menor presión pero poseen mayor velocidad que otras prensas. Y
finalmente, estas máquinas también se conocen con el nombre de prensas
mecánicas, troqueladoras mecánicas, prensas excéntricas inclinables o
balancines mecánicos.
Es
un mecanismo conformado por vasos comunicantes impulsados por pistones de
diferente área que, mediante pequeñas fuerzas, permite obtener otras mayores.
Los pistones son llamados pistones de agua, ya que son hidráulicos. Estos hacen
funcionar conjuntamente a las prensas hidráulicas por medio de motores.
Prensas mecánica
Es
la maquinaria que, a través de un volante de inercia, acapara energía y la
transmite por vía neumática o mecánica a una matriz o un troquel. Estas
prensas, por lo tanto, permiten realizar el proceso conocido como troquelación
(la concreción de agujeros en materiales muy diversos, como cartones, plásticos
o metales).
La
prensa hidráulica, por otra parte, presenta un mecanismo con vasos comunicantes
que son puestos en marcha por pistones y que, a través de diversas fuerzas de
poca intensidad, permite conseguir otras más intensas.
La prensa rotativa
Es
un dispositivo de impresión en que aquello que imprime se curva sobre una
superficie cilíndrica y, por lo tanto, utiliza rollos continuos que le permite
imprimir grandes cantidades con mucha velocidad.
Conformado de metales
“Todas
las piezas metálicas en algún
momento de su fabricación estas han estado sometidas a una operación al menos
de conformado de metales, y con frecuencia se necesitan varias operaciones
diferentes. A excepción de las fundidas claro.”
Existen
diferentes tipos de proceso de conformado, siendo cada uno el adecuado para el
propósito determinado. La elección del proceso de conformado que se determine o
seleccione, depende de la forma y/o tratamiento al que se requiera llevar el
material.
Los
procesos de conformado se clasifican de acuerdo al dos principales variables:
la temperatura de trabajo y el tipo de materia prima.
Al
abordar los procesos de conformado es necesario estudiar una serie de
propiedades metálicas influenciadas por la temperatura, dado que estos procesos
pueden realizarse mediante un trabajo en frio, como mediante un trabajo en
caliente.
Trabajo en frio:
En
este proceso se trabaja a temperatura
ambiente o menor. Este trabajo ocurre al aplicar un esfuerzo mayor que la
resistencia de cedencia original de metal, produciendo a la vez una
deformación.
Efectos del trabajo
en frío
La
diferencia principal del trabajo en caliente y en frío 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.
Para
el trabajo en frío se requieren presiones mucho mayores que en el trabajo en
caliente.
Ventajas:
mejor
precisión
menores
tolerancias
mejores
acabados superficiales
posibilidades
de obtener propiedades de dirección deseadas en el producto final
mayor
dureza de las partes.
Desventajas:
- requiere mayores fuerzas ya que los metales aumentan su resistencia debido a su endurecimiento por deformación, produciendo que el esfuerzo requerido para continuar la deformación se incremente y contrarreste el incremento de la resistencia
2. reducción
de la ductilidad
3.
aumento
de la resistencia a la tensión limitan la cantidad de operaciones de formado
que se puedan realizar a las partes.
Trabajo en caliente:
Es
la deformación plástica del material metálico a una temperatura mayor que la de
recristalización. La ventaja principal del trabajo en caliente consiste en la
obtención de una deformación plástica casi ilimitada, que además es adecuada
para moldear partes grandes porque el metal tiene una baja resistencia de
cedencia y una alta ductilidad.
Ventajas:
obtención de una
deformación plástica casi ilimitada, que además es adecuada para moldear partes
grandes porque el metal tiene una baja resistencia de cadencia y una alta
ductilidad.
propiedades de fuerza
generalmente isotrópicas
no ocurren
endurecimientos de partes debidas a los procesos de trabajo.
Las prensa excéntricas
e hidráulicas como maquinas
Utilizadas en el
conformado de metales
Las
prensas tienen gran capacidad para la producción rápida, ya que el tiempo de operación es solamente el que
necesita para una carrera del ariete, más el tiempo necesario para alimentar el
material. Por consiguiente se pueden conservar los bajos costos de producción.
La
prensa es una máquina que es utilizada en muchas operaciones de trabajo en frio
y algunos en caliente. Su bastidor que
sostiene una bancada y un ariete, una fuente de potencia, y un mecanismo para
mover el ariete linealmente y en ángulos rectos con relación a la bancada.
Esta
debe estar equipada con matrices y punzones diseñados para algunas operaciones
específicas. La mayoría de operaciones de formado, punzonado y cizallado, se
pueden efectuar en cualquier prensa normal si se usan matrices y punzones
adecuados.
Diagrama esfuerzo – Deformación
Gráfico
del esfuerzo como una función de la deformación. Puede construirse a partir de
los datos obtenidos en cualquier ensayo mecánico en el que se aplica carga a un
material, y las mediciones continuas de esfuerzo y de formación se realizan
simultáneamente. Se construye para ensayos de compresión, tensión y torsión.
Ley de Hooke
En
el diagrama esfuerzo – deformación, la línea recta indica que la deformación es
directamente proporcional al esfuerzo en el tramo elástico, este principio
conocido como la ley de Hooke (véase Ecuación 3). Asimismo, la proporción
representada por la pendiente de la recta, es constante para cada material y se
llama módulo de elasticidad (E), valor que representa la rigidez de un
material.
Esfuerzo
Las
fuerzas internas de un elemento están ubicadas dentro del material por lo que
se Distribuyen en toda el Área; justamente se denomina esfuerzo a la fuerza por
unidad de área, la cual se denota con la letra griega sigma (σ) y es un
parámetro que permite comparar la resistencia de dos materiales, ya que
establece una base común de referencia.
σ = P/A
Dónde:
P≡ Fuerza axial;
A≡ Área de la sección transversal
Deformación
La
resistencia del material no es el único parámetro que debe utilizarse al
diseñar o analizar una estructura. Controlar las deformaciones para que la
estructura cumpla con el propósito para el cual se diseñó tiene la misma o mayor
importancia.
El
análisis de las deformaciones se relaciona con los cambios en la forma de la
estructura que generan las cargas aplicadas.
Una
barra sometida a una fuerza axial de tracción aumentara su longitud inicial; se
puede observar que bajo la misma carga pero con una longitud mayor este aumento
o alargamiento se incrementará también. Por ello definir la deformación (ε) como el cociente entre el
alargamiento δ y la longitud
inicial L, indica que sobre la barra la
deformación es la misma porque si
aumenta L también aumentaría δ. Matemáticamente la deformación sería: ε = δ/L
Elementos de Diagrama Esfuerzo – Deformación.
En un diagrama se observa un tramo recta inicial hasta un punto
denominado límite de proporcionalidad. Este límite tiene gran
importancia para la teoría de los sólidos elásticos, ya que esta se basa
en el citado límite. Este límite es el superior para un esfuerzo
admisible.
Los puntos importantes del diagrama de esfuerzo deformación son:
- Límite de proporcionalidad: hasta este punto la relación entre el esfuerzo y la deformación es lineal.
- Límite de elasticidad: más allá de este límite el material no recupera su forma original al ser descargado, quedando con una deformación permanente.
- Punto de cedencia: aparece en el diagrama un considerable alargamiento o cedencia sin el correspondiente aumento de carga. Este fenómeno no se observa en los materiales frágiles.
- Esfuerzo último: máxima ordenada del diagrama esfuerzo – deformación.
- Punto de ruptura: cuanto el material falla.
Dado que el límite de proporcionalidad, elasticidad y punto de cedencia
están tan cerca se considera para la mayoría de los casos como el mismo
punto. De manera que el material al llegar a la cedencia deja de tener
un comportamiento elástico y la relación lineal entre el esfuerzo y la
deformación deja de existir (Beer y Johnston, 1993; Popov, 1996; Singer y
Pytel, 1982).
Doblado
Es
la deformación de láminas alrededor de un determinado ángulo. Los ángulos
pueden ser clasificados como abiertos (si son mayores a 90º), cerrados (menores
a 90°) o rectos. Durante la operación, las fibras externas del material están
en tensión, mientras que las interiores están en compresión.
El
doblado no produce cambios significativos en el espesor de la lámina metálica.
Tipos de doblado
Doblado entre formas
En
este tipo de doblado, la lámina metálica es deformada entre un punzón en forma
de V u otra forma y un dado. Se pueden doblar con este punzón desde ángulos muy
obtusos hasta ángulos muy agudos. Esta operación se utiliza generalmente para
operaciones de bajo volumen de producción.
Doblado deslizante
En
el doblado deslizante, una placa presiona la lámina metálica a la matriz o dado
mientras el punzón le ejerce una fuerza que la dobla alrededor del borde del
dado.
Este
tipo de doblado está limitado para ángulos de 90°.
Cálculo de la fuerza
para doblado de láminas
La
fuerza de doblado es función de la resistencia del material, la longitud L de
la lámina, el espesor T de la lámina, y el tamaño W de la abertura del dado.
Para un dado en V, se suele aproximar la fuerza máxima de doblado, FD, con la
siguiente ecuación:
Embutido
El
Embutido de Chapas Metálicas es uno de los procedimientos más comunes elaboración
de piezas huecas, para diversas aplicaciones que van desde el hogar, la oficina
y en la industria en general.
Las
piezas recortadas o discos a emplear se disponen en el asiento o anillo de
centrado, fijado a la matriz de embutir, con la finalidad de centrar el disco
en el proceso de embutición.
Un
dispositivo pisador aprieta el disco contra la matriz de embutir con la
finalidad de que no se produzcan pliegues. El punzón de embutir al bajar estira
el material sobre los bordes rebordeados de la matriz, de modo que se produzca
una pieza hueca. El desplazamiento de todos los cristales en que está
constituido el material a embutir es radical en toda su magnitud.
Los
procesos de conformado mecánico de acuerdo al estado de tensiones o fuerzas
aplicadas a las piezas durante el conformado, se clasifican en:
Proceso de Compresión
indirecta: trefilado y extrusión.
Proceso de tracción:
estirado.
Proceso de flexión:
doblado (plegado, rolado, perfilado, embutido, repujado).
Proceso de Corte:
cizallado y punzonado.
Proceso de torsión:
para la construcción de resortes helicoidales
Proceso de Embutido
de lámina:
- Identificar el punzón de embutido.
- Establecer las funciones de cada uno de los estudiantes.
- Realizar el montaje del punzón en la prensa
- Colocar el punzón.
- Colocar la matriz.
- Pre-asegurar el sistema de punzón y matriz con bridas de sujeción.
- Verificar que las caras marcadas con cero estén en el mismo plano.
- Centrar la matriz con respecto al punzón.
- Colocar la lámina resultante del troquel entre el punzón y la matriz.
- Embutir la lámina.
- Sacar la chapa de la matriz cuidadosamente.
- Observar la chapa resultante
Forjado
Aplicación
de esfuerzos de compresión que exceden el esfuerzo de fluencia del metal. El
esfuerzo puede ser aplicado rápida o lentamente. El proceso puede realizarse en
frío o en caliente, la selección de temperatura es decidida por factores como
la facilidad y costo que involucre la deformación, la producción de piezas con
ciertas características mecánicas o de acabado superficial es un factor de
menor importancia. Más del 90% de los procesos de forjado son en caliente. El
forjado por impacto, puede realizarse de 3 maneras diferentes
Forjado por Presión: El tipo de forjado
donde se involucra la aplicación gradual de presión para lograr la cedencia del
metal. Este tipo de forjado se usa a nivel industrial y utiliza maquinaria tipo
prensa hidráulica.
Forjado por Impacto: Es el tipo de
forjado donde la carga es aplicada por impacto y la deformación tiene lugar en
un corto tiempo. Existen a su vez, dos diferentes formas de forjado por impacto
Forjado de herrero: Este es
indudablemente el más antiguo tipo de forjado, pero en la actualidad es
relativamente poco común. La fuerza de impacto para la deformación es aplicada
manualmente por el herrero por medio de un martillo. La pieza de metal es
calentada en una fragua y cuando se encuentra a la temperatura adecuada es
colocada en un yunque. El yunque es una masa pesada de acero con la parte
superior plana, una parte en forma de cuerno la cual está curvada para producir
diferentes curvaturas, y un agujero cuadrado en la parte superior para acomodar
varios accesorios del yunque.
Forjado por
Martinete:
Este es el equivalente moderno del forjado de herrero en donde la fuerza
limitada del herrero ha sido reemplazada por un martillo mecánico o de vapor.
Laminado
Método
de conformado, para la deformación utilizado para producir productos metálicos
alargados de sección transversal constante.
Laminación en
caliente:
El proceso de laminado en caliente se utiliza para estructuras de colada, o
fundición comúnmente dendrítica, la cual incluye granos grandes y no uniformes,
por lo cual la estructura es más frágil y contiene porosidades. De tal manera
la laminación en caliente se debe realizar a una temperatura mayor a la
temperatura de recristalización del metal; permitiendo transformar la
estructura colada en una estructura laminada, la cual va a tener granos más
finos y una mayor ductilidad, resultando ambas de los límites de los granos
frágiles y el cierre de los defectos especialmente de la porosidad. El proceso
de laminado en caliente se lleva a cabo para aleaciones de aluminio y para
aceros aleados. Se manejan temperaturas entre 0.3 y 0.5 veces la temperatura de
fusión, lo que corresponde a la temperatura de recristalización. Comúnmente los
primeros producto de laminado en caliente, son la palanquilla y el planchón. El
primer producto es muy utilizado para la formación de vigas en forma de I y
rieles de ferrocarril, en el caso de utilizar tochos, en cambio para la
formación de placas y láminas se utilizan los planchones. En el proceso de
laminado en caliente tanto para palanquillas como para planchones la superficie
tiene que ser mejorada, por la presencia de calamina, la cual puede ser
eliminada por ataque químico, esmerilado grueso para dar suavidad a la
superficie, o chorro de arena y de tal manera pasar a ser laminada.
Laminado en frío: El proceso de
laminado en frío se lleva a cabo a temperatura ambiente. A diferencia del
proceso de laminación en caliente, produce láminas y tiras con un acabado
superficial mejor debido a que no hay presencia de calamina. Además se tienen
mejores tolerancias dimensionales y mejores propiedades mecánicas debidas al
endurecimiento por deformación.
Cizallado
Operación
de corte de láminas que consiste en disminuir la lámina a un menor tamaño
Extrusión
La
extrusión es un proceso por compresión en el cual el metal de trabajo es forzado
a fluir a través de la abertura de un dado para darle forma a su sección
transversal. Ejemplos de este proceso son secciones huecas, como tubos, y una
variedad deformas en la sección transversal.
Tipos de Extrusión
El proceso de conformado por extrusión puede
dividirse en dos principales tipos: Extrusión directa y Extrusión indirecta.
Extrusión Directa
La
extrusión directa, también conocida como extrusión delantera, es el proceso más
común de extrusión. Éste trabaja colocando la barra en un recipiente
fuertemente reforzado. La barra es empujada a través del troquel por un
tornillo. Hay un dummy block reusable entre el tornillo y la barra para
mantenerlos separados. La mayor desventaja de este proceso es la fuerza requerida
en la extrusión de la barra, es mayor que la necesitada en la extrusión
indirecta porque la fuerza de fricción introducida por la necesidad de la barra
de recorrer completamente el contenedor. Por eso la mayor fuerza requerida es
al comienzo del proceso y decrece según la barra se va agotando. Al final de la
barra la fuerza aumenta grandemente porque la barra es delgada y el material
debe fluir radialmente para salir del troquel. El final de la barra, llamado
tacón final, no es usado por esta razón.
Extrusión indirecta
En
la extrusión indirecta, también conocida como extrusión retardada, la barra y
el contenedor se mueven juntos mientras el troquel está estacionario. El
troquel es sostenido en el lugar por un soporte el cual debe ser tan largo como
el contenedor. La longitud máxima de la extrusión está dada por la fuerza de la
columna del soporte. Al moverse la barra con el contenedor, la fricción es
eliminada.
Dato Curioso:
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
Troquelado
Los
parámetros que se tienen en cuenta en el troquelado son la forma y los materiales
del punzón y la matriz, la velocidad y la fuerza de punzonado, la lubricación,
el espesor del material y la holgura o luz entre el punzón y la matriz. La
determinación de la luz influirá en la forma y la calidad del borde cortado.
Entre mayor luz exista, el borde cortado será más burdo y provocará una zona
más grande de deformación en la que el endurecimiento será mayor.
Cálculo de la fuerza
de troquelado ejercida por el punzón
La
fuerza máxima del punzón, FT, se puede estimar con la ecuación:
donde,
t:es el espesor de la lámina
l: es la longitud total que se recorta (el
perímetro del orificio)
Sult: es la resistencia última a la tensión del
material, y
k: es un factor para aumentar la fuerza teórica
requerida debida al empaquetamiento de la lámina recortada, dentro de la
matriz. El valor de k suele estar alrededor de 1.5
Tabla
Cualquier
material que pueda ser conformado en frio con un cierto radio de doblado,
también puede ser conformado en una máquina de perfilar. En la siguiente tabla
se muestra un Ranking de los materiales con mejores características para ser
conformados mediante una maquina perfiladora en frio. Donde 100 significa que
el material presenta condiciones excelentes mientras que un “0” cero significa
que no puede ser usado en este proceso de conformación.
Cálculo
de números de pases de embutición:
Para realizar dicho calculo dentro de
una operación de embutición primero que todo se debe tener en cuenta
la forma del embutido ya que con la forma del embutido se puede determinar el
desarrollo del embutido y poder así aplicar la formula la cual nos dará los
cálculos de desarrollo, por otra parte se debe tener en cuenta el número de
operaciones en que se va a realizar el embutido para ello también se cuenta con
una ecuación la cual nos dará el número de secuencias que debe tener el
embutido para ello se tiene en cuenta generalmente con el diámetro del embutido
y la altura por también se puede encontrar como ecuación para el
embutido la presión que debe ejercer el prensa chapa para evitar la deformación
de la lámina en el momento del embutido en este caso se tiene en cuenta los
diámetros y una constante de presión específica para cada material, por último
la última ecuación que utilizamos es la carga de embutido la cual como la
del punzo nado se tiene semejantes parámetros.
Determinación
del diámetro del elemento a embutir
La determinación de las dimensiones de la chapa de
la que ha de salir el objeto embutido se basa en la igualdad de los volúmenes
de material del trozo de chapa inicial y el de la pieza embutida. La
importancia de la determinación del desarrollo se basa en tres necesidades
1. Economía del material
2. Facilidad de embutición
3. Reducción del número de
útiles.
Los cálculos que se describen en los numerales
siguientes son aplicables a cuerpos huecos que tengan forma geométrica regular
y con sección circular. Para cuerpos irregulares no siempre se puede realizar
un cálculo exacto.
Haciendo la aproximación de que el espesor no varía
durante la embutición, será suficiente con encontrar la igualdad entre la
superficie de la embutición y la de corte.
Determinación del
Número de Embutición
La determinación del número de operaciones, junto a la del diámetro del
disco inicial son dos de las cuestiones más importantes de los procesos de
embutición. La necesidad de realizar el embutido en dos o más pasadas viene
determinada por la imposibilidad de que el material pueda resistir la elevada
tensión radial a que se le somete durante el proceso de embutición debido a la
relación existente entre el diámetro inicial del disco y el diámetro del
recipiente a embutir.
Las piezas embutidas de gran profundidad, o de forma complicada no pueden
ser obtenidas en una sola operación. Estas deben ser deformadas en varias
etapas y en matrices diferentes, acercándose progresivamente a la forma definitiva.
Cuanto más pequeño es el diámetro del punzón respecto al disco a embutir tanto
mayor será la presión necesaria para el embutido. Para que esta presión no
provoque la rotura de la chapa, esta no debe superar los límites de resistencia
del material. Los factores más importantes que influencian la calidad y la
dificultad de las embuticiones son:
1. Características del material:
propiedades, tamaño de grano.
2. Espesor del material.
3. Tipo de embutición: simple
doble o triple efecto.
4. Grado de reducciones.
5. Geometría de la embutición.
Para la determinación de las operaciones por el método de coeficientes de
reducción, se parte del cálculo de la chapa plana y se procede a multiplicar
cada nuevo diámetro por un factor dependiente del tipo de chapa hasta alcanzar
el valor deseado.
En la siguiente figura se ilustra el proceso donde D es el diámetro de
desarrollo, d1 el diámetro de la primera embutición, d2 el de la segunda etc.
Se tiene en consecuencia lo siguiente:
d1 = K1 x D
d2 = K2 x d1
d3 = K2x d2
IMAGENES ADICIONALES
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Conclusion
La
teoría del conformado de metales puede ayudar a determinar la forma de utilizar
las máquinas de la manera más adecuada y eficiente posible, así como a mejorar
su productividad.
Importancia del Blog:
y asi estos puedan conocer las aplicaciones importantes de los procesos de conformado de metales
Bibliografia
http://www.escuelaing.edu.co/uploads/laboratorios/1578_conformado.pdf
http://biblio3.url.edu.gt/Libros/2013/pro_ma/5.pdf
https://ingenierosenapuros.files.wordpress.com/2012/02/i-tm11tecproces-presentacic3b3n.pdf
http://conformadomecanicodepiezas.weebly.com/procesos-de-conformado-en-frio.html
http://www.buenastareas.com/ensayos/Conformado-De-Metales/4471349.html
http://mecanica-rojas23.blogspot.com/2011/07/conformacion-de-metales-en-frio-y_04.html
