Proceso de Conformado De Los Metales

República Bolivariana de Venezuela
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

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 directa: forjado, laminado. 

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

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:

Facilitar conocimientos a todo el publico en general del uso de los dispositivos utilizados en los procesos: troquel, matrices y Punzones, prensas.

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