PROCESOS DE MANUFACTURAConformados en calienteM.C. Manuel Prez Villegas

FUNDAMENTOS DEL FORMADO DE METALESEl Conformado de metales incluye varios procesos de manufactura en los cuales se usa la deformacin plstica para cambiar la forma de las piezas metlicas.La deformacin resulta del uso de una herramienta que usualmente es un dado para formar metales, el cual aplica esfuerzos que exceden la resistencia a la fluencia del metal. Por tanto, el metal se deforma para tornar la forma que determina la geometra del dado.

FUNDAMENTOS DEL FORMADO DE METALES

FUNDAMENTOS DEL FORMADO DE METALESEn general, se aplica el esfuerzo de compresin para deformar plsticamente el metal. Sin embargo, algunos procesos de formado estiran el metal, mientras que otros lo doblan y otros ms lo cortan.

FUNDAMENTOS DEL FORMADO DE METALESPRENSAS

FUNDAMENTOS DEL FORMADO DE METALESCORTADORAS

FUNDAMENTOS DEL FORMADO DE METALESDOBLADORAS

FUNDAMENTOS DEL CONFORMADO DE METALESPara formar exitosamente un metal ste debe poseer ciertas propiedades. Las propiedades convenientes para el formado son:

Baja resistencia a la fluencia Alta ductilidad.

Estas propiedades son afectadas por la temperatura. La ductilidad se incrementa y la resistencia a la fluencia se reduce cuando se aumenta la temperatura de trabajo.

FUNDAMENTOS DEL CONFORMADO DE METALESEl efecto de la temperatura da lugar a la siguiente clasificacion:Trabajo en fro, Trabajo en tibio trabajo en caliente por debajo de la temperatura de recristalizacinTrabajo en caliente arriba de la temperatura de recristalizacin.

Recristalizacin: formacin de granos libres de deformacin.

FUNDAMENTOS DEL CONFORMADO DE METALESLa velocidad de formacin y la friccin son factores adicionales que afectan el desempeo del formado de metales.

Cuando el metal se deforma en fro aumenta su resistencia debido al endurecimiento por deformacin, pero si el metal se deforma a una temperatura lo suficientemente elevada (por arriba del punto de recristalizacion) no ocurre el endurecimiento por deformacin, en su lugar se forman nuevos granos libres de deformacin, esta temperatura es aproximadamente al 50% de la temperatura de fusin del metal, llamndose temperatura de recristalizacin y se requiere aproximadamente una hora para la formacin de nuevos granos.

Trabajo del metal en calienteLos procesos de deformacin de metales aprovechan las propiedades de flujo plstico del material a medida que es deformado para producir la forma deseada: el material se comprime o estira hasta adquirir la forma deseada.

Trabajo del metal en calienteUn lingote metlico tiene un uso muy reducido hasta que le es dada una forma tal que pueda usarse en un proceso de manufactura.Si el lingote es admitido en fro, se vuelve bastante difcil, si no imposible, convertir el material por medios mecnicos en una forma estructural, acero en barra o lmina.Sin embargo, si el lingote se trabaja en caliente, puede martillarse, prensarse, laminarse o extruirse en otras formas. Debido a la oxidacin y otras desventajas del trabajo en caliente a temperaturas elevadas, la mayora de los metales ferrosos se trabajan en fro o se terminan en fro despus del trabajo en caliente para obtener un buen acabado superficial, alta exactitud dimensional y mejorar las propiedades mecnicas.

Trabajo del metal en calienteLaminando el acero en formas intermedias-lupias, tochos y planchas. Procesando lupias, tochos y planchas en placas, lminas, barras, formas estructurales u hojalata. Una lupia tiene una seccin transversal con un tamao mnimo de 150 x 150 mm. Un tocho es ms pequeo que una lupia y puede tener cualquier seccin desde 40 mm hasta el tamao de una lupia. Las planchas pueden laminarse ya sea de un lingote o de una lupia. Tienen un rea de seccin transversal rectangular con un ancho mnimo de 250 mm y un espesor mnimo de 40 mm. El ancho siempre es 3 o ms veces el espesor y puede ser cuando mucho de 1500 mm. Placas, plancha para tubos y fleje se laminan a partir de planchas.

Trabajo del metal en caliente

Trabajo del metal en calienteLas caractersticas principales son:Por encima de la temperatura mnima de recristalizacin.La forma de la pieza se puede alterar significativamente.Se requiere menor potencia para deformar el metal.Las propiedades de resistencia son generalmente isotrpicas debido a la ausencia de una estructura orientada de granos creada en el trabajo en fro.El trabajo en caliente no produce fortalecimiento de la pieza.Precisin dimensional ms baja.Mayores requerimientos de energa.Oxidacin de la superficie de trabajo.El utillaje est sometido a elevados desgastes y consiguientes mantenimientos.El trmino Utillaje se define como el conjunto de tiles, herramientas, maquinaria, implementos e instrumental de una industria

Trabajo del metal en calienteLas tecnologas de fabricacin para el proceso de conformado en caliente son:

LaminacinForjaExtrusinEstiradoDobladoEmbutido

Trabajo del metal en calienteTeniendo en cuenta los usos de los productos metlicos obtenidos (automvil, minera, ferrocarril, construccin naval, etc) y el volumen fabricado, se consideran como procesos ms relevantes dentro del conformado en caliente la laminacin en caliente y la forja.

Trabajo del metal en calienteLaminacin en caliente:Conformado en el cual se hace pasar el metal por trenes de rodillos que le dan una forma progresivamente ms parecida a la deseada.

Trabajo del metal en calienteUn efecto del trabajo en caliente con la operacin de laminado, es el refinamiento del grano causado por recristalizacin.

Trabajo del metal en caliente

Trabajo del metal en calienteEl trabajo en caliente tiene las ventajas siguientes:La porosidad en el metal es considerablemente eliminada. La mayora de los lingotes fundidos contienen muchas pequeas sopladuras. Estas son prensadas y a la vez eliminadas por la alta presin de trabajo. Las impurezas en forma de inclusiones son destrozadas y distribuidas a travs del metal. Los granos gruesos o prismticos son refinados. Dado que este trabajo est en el rango recristalino, sera mantenido hasta que el lmite inferior es alcanzado para que proporcione una estructura de grano fino. Las propiedades fsicas generalmente se mejoran, principalmente debido al refinamiento del grano. La ductilidad y la resistencia al impacto se perfeccionan, su resistencia se incrementa y se desarrolla una gran homogeneidad en el metal. La mayor resistencia del acero laminado existe en la direccin del flujo del metal. La cantidad de energa necesaria para cambiar la forma del acero en estado plstico es mucho menor que la requerida cuando el acero est fro.

Trabajo del metal en caliente

Trabajo del metal en calienteDesventajas:Debido a la alta temperatura del metal existe una rpida oxidacin o escamado de la superficie con acompaamiento de un pobre acabado superficial. Como resultado del escamado no pueden mantenerse tolerancias cerradas. El equipo para trabajo en caliente y los costos de mantenimiento son altos, pero el proceso es econmico comparado con el trabajo de metales a bajas temperaturas.

Trabajo del metal en caliente

Trabajo del metal en calienteCon el paso de los aos ha habido una clara tendencia a optimizar el proceso. Un tren de laminacin puede definirse como mquina de fabricacin para trabajar materiales por presin entre cilindros rotativos. Pero esta definicin no est completa, ya que en la mayora de los casos la laminacin de un metal necesita varias etapas tecnolgicas, siendo adems necesarias ciertas operaciones auxiliares, como pueden ser:

El transporte de los materialesSu almacenajeManipulacinCorte en las longitudes requeridasRecalentadoresEnfriadoresIdentificacin, etc...

Trabajo del metal en calienteLa demanda de fabricacin en serie del material laminado lleva consigo un alto grado de mecanizado y por tanto un alto grado de automatizacin. Las mquinas que trabajan el metal laminado se colocan en una cadena de fabricacin y se conectan con los medios necesarios que permitan transportar las piezas de una mquina a la siguiente. Estos sistemas de mquinas son tpicos de los talleres ms modernos y suelen englobarse tambin en el tren de laminacin.

Trabajo del metal en calienteUn tren de laminacin moderno de gran produccin es, generalmente, un conjunto complejo de mquinas y mecanismos que realizan una serie de operaciones consecutivas e interrelacionadas.

Trabajo del metal en calienteEl desarrollo de la tecnologa, en general, y de la automatizacin en particular, subraya el principio de enlazar todas las etapas de la fabricacin, desde la materia prima hasta el embalaje de los productos terminados, en una cadena automatizada.

FORJADOA pesar de que la forja es el mtodo ms antiguo de trabajar el metal (ao 8000 a.C.), an se sigue utilizando en la actualidad ya que asegura las mejores caractersticas mecnicas de los materiales y la ms alta calidad en cualquier tipo de producto.

Aunque puede no ser el mtodo ms econmico para hacer productos en ciertas geometras, la historia ha demostrado que la forja tiene el ms alto nivel de precisin y combinacin de propiedades mecnicas.

Las instalaciones y los equipos actuales son cada vez ms modernos y automticos, siempre buscando una mejora en la productividad del proceso.

FORJADOForja: Conformado en caliente mediante la aplicacin de grandes presiones: intermitentemente (golpes) oen forma continua (prensado).

FORJADO1.Forja de herrero o con martillo2.Forja con martinete3.Forja horizontal4.Forja con prensa5.Forja de laminado6.Estampado

FORJADO1.Forja de herrero o con martilloNo se obtienen tolerancias cerradasNo formas complicadas

FORJADO1.Forja de herrero o con martillo

FORJADO2.Forja con martinete Este es el equivalente moderno del forjado de herrero en donde la fuerza limitada del herrero ha sido reemplazada por un martillo mecnico o de vapor. El proceso puede llevarse a cabo en forjado abierto donde el martillo es reemplazado por un mazo y el metal es manipulado manualmente sobre un yunque.

FORJADO2.Forja con martinete

Figura 9. Martillo para forja por cada libre.

FORJADO2.Forja con martinete

FORJADO3.Forja horizontal

No hay choque o vibracin en la mquinaIgualmente en ambos ladosMenos tiempo de contacto entre el material y el dadose requiere menos energa que con otros procesos de forja

FORJADO3.Forja horizontal

FORJADO3.Forja horizontal

El penetrado progresivo

Los dados no se limitan al recalcado, pueden usarse tambin para penetrado, punzonado, recorte o extrusin.

Puede alimentar barra de acero calentada por induccin a la cavidad del dado

FORJADO4.Forja con prensaEmplean una accin lenta de compresin deformando el metal plstico, contrariamente al rpido impacto del golpe del martillo. Pueden ser operadas ya sea mecnica o hidrulicamente pueden ejercer una fuerza de 4 a 90 MN

FORJADO4.Forja con prensaForjas de ms de 100 ton de peso pueden ser movidas fcilmente en estas prensas forjadoras y los productos de ms alta calidad son manufacturados por esta tcnica.

FORJADO5.Forja de laminadoLa forja por laminado se usa en una amplia variedad de piezas, incluyendo ejes, barras para propulsores de avin, palancas, hojas de cuchillos, cinceles, estrechado de tubos y extremos de muelles. Las piezas hechas de este modo tienen muy buen terminado de superficie y las tolerancias son iguales a otros procesos de forja. El metal es trabajado completamente en caliente y tiene buenas propiedades fsicas.

FORJADO5.Forja de laminado

FORJADO5.Forja de laminado

FORJADO5.Forja de laminadoLaminado de anillos

FORJADO5.Forja de laminadoLaminado de anillos

FORJADO5.Forja de laminado

FORJADO5.Forja de laminado

FORJADO5.Forja de laminadoLaminado de cuerdas

FORJADO6.EstampadoEl estampado difiere de la forja con martillo en que se usa ms bien una impresin cerrada que dados de cara abierta

Para asegurar el flujo propio del metal durante los golpes intermitentes, las operaciones se dividen en un nmero de pasos. Cada paso cambia la forma gradualmente, controlando el flujo del metal hasta que la forma final se obtiene.

El nmero de pasos requeridos varia de acuerdo al tamao y forma de la pieza, las cualidades de forja del metal y las tolerancias requeridas

FORJADO6.Estampado

FORJADO6.Estampado

Necesidad de un proceso posterior de desbarbado

FORJADO6.Estampado

FORJADO6.EstampadoLas temperaturas aproximadas de forjado son:

acero 1100 a 1250 C;

cobre y sus aleaciones 750 a 925C;

magnesio 370 a 450C.

FORJADO6.EstampadoCon dados cerrados

FORJADO6.EstampadoEl forjado sin rebaba se clasifica frecuentemente como un proceso de forjado de precisin

FORJADODados de forjado Es importante el diseo de los dados para el xito de la operacin de forjado. Las partes que se forjan deben disearse con el conocimiento de los principios y limitaciones de este proceso.

FORJADOFactores CrticosEl principal factor que se debe controlar en el proceso de conformado en caliente es la temperatura a la cual se est calentando el material. Si el calentamiento es insuficiente el metal ser ms difcil de trabajar debido a que posee una menor ductilidad y maleabilidad propiedades que se le confieren al calentarlos a una temperatura adecuada.

El proceso de laminado en caliente debe seguir una secuencia: primero calentamiento, pasar la chapa por el tren de desbaste, luego por el tren de laminacin y por ultimo el tren de acabado. Si no se respeta esta secuencia se presentan diversos problemas tales como: desgaste excesivo de los rodillos de laminacin, excesiva potencia para realizar el trabajo, etc.

FORJADOFactores Crticos

Como variables crticas de proceso tenemos: velocidad de alimentacin, tiempo de tratamiento, nmero de pasadas en laminador y temperatura de salida.

La calidad de la colada es un factor limitante para los posteriores procesos de conformado

El mantenimiento de los equipos tambin es determinante, ya que del buen funcionamiento depende una buena productividad. Aqu incluimos el recambio y mantenimiento de los utillajes.

La situacin geogrfica de la planta industrial. Hay que favorecer la cercana a las aceras y/o plantas de laminacin y la cercana a los puertos. Todo ello abaratar excesivamente los costes logsticos.

Trabajo del metal en calienteLaminadoMateriales: metales puros: Al, Cu, Fe, Ti, Zn aleaciones: Acero, de Al, (Al-Cu, Al-Mg, Al-Zn, Al-Mn) de Mg ( Mg-Al, Mg-Zn, Mg-Mn), de Cu (Cu-Zn, Cu-Zn-Sn, Cu-Zn-Pb) o bronces (Cu-Al, Cu-Ni, Cu-Si)

ForjadoMateriales: metales puros: Al, Cu, Fe, Ti, Zn aleaciones: Acero, de Al, (Al-Cu, Al-Mg, Al-Zn, Al-Mn) de Mg ( Mg-Al, Mg-Zn, Mg-Mn), de Cu (Cu-Zn, Cu-Zn-Sn, Cu-Zn-Pb) o bronces (Cu-Al,Cu-Ni, Cu-Si)

Trabajo del metal en calienteEjemplos:

Trabajo del metal en calienteEjemplos:Molinos laminadores

Trabajo del metal en calienteEjemplos:

FORJADO

EXTRUSIONLos metales que pueden trabajarse en caliente pueden extruirse con formas de seccin transversal uniforme con ayuda de presin.

EXTRUSIONEl principio de extrusin, similar a la accin del chorro de la pasta de dientes de un tubo, ha sido muy usado para procesos en serie desde la produccin de ladrillos, tubo de desage, tubo de drenaje, hasta la manufactura de macarrones.

EXTRUSIONAlgunos metales como el plomo, estao y aluminio pueden extruirse en fro

Consiste en forzar al metal (confinado en una cmara de presin) a salir a travs de dados especialmente formados.

Varillas, tubos, guarniciones moldeadas, formas estructurales, cartuchos de bronce, y cables forrados con plomo son productos caractersticos de metales extruidos.

EXTRUSIONLas velocidades de operacin dependen sobre todo de la temperatura y material, varan de unos cuantos metros sobre minuto hasta 275 m/min.

EXTRUSIONTemperaturas de varios metales en la extrusin en caliente

EXTRUSIONAluminium hot extrusion die

EXTRUSIONVentajas de la extrusin:

facilidad de producir una variedad de formas de alta resistencia, buena exactitud y terminado de superficie a altas velocidades de produccin, y relativamente con un bajo costo de los dados.

Longitudes casi ilimitadas

EXTRUSIONExisten muchas variantes de este proceso.

Extrusin DirectaExtrusin IndirectaExtrusin por Impacto

EXTRUSIONExtrusin DirectaEl metal es extruido a travs del dado abrindolo hasta que slo queda una pequea cantidad

EXTRUSIONExtrusin Indirectaparte extruida es forzada a travs del vstago apisonador

EXTRUSIONExtrusin IndirectaSe requiere menos fuerza por este mtodo, debido a que no existe fuerza de rozamiento entre el tocho y la pared continente.

El debilitamiento del apisonador cuando es hueco y la imposibilidad de proveer soporte adecuado para la parte extruida constituyen las restricciones de este proceso.

EXTRUSIONExtrusin por Impacto:Un punzn es dirigido al pedazo de metal con una fuerza tal que ste es levantado a su alrededor.

La mayora de las operaciones de extrusin por impacto, tales como la manufactura de tubos plegables, son trabajadas en fro.

EXTRUSION

MANUFACTURA DE TUBERIAPueden hacerse por soldadura elctrica o a tope, plancha para formado de tubos, perforado y extrusion. (para tuberia sin costura)

Tuberia sin costura alta presin y temperatura como tambin para transportar gas y lquidos qumicos.

MANUFACTURA DE TUBERIAPueden hacerse por soldadura elctrica o a tope, plancha para formado de tubos, perforado y extrusion. (para tuberia sin costura)

MANUFACTURA DE TUBERIATuberia sin costura alta presin y temperatura como tambin para transportar gas y lquidos qumicos. Hasta de 400 mm de dimetro.

Tubo soldado a tope es el ms comn y se usa con propsitos estructurales, postes y para transporte de gas, agua y desperdicios.

Tubo con soldadura elctrica se usa principalmente para lneas de tubera que transportan productos del petrleo o agua.

MANUFACTURA DE TUBERIAtamaos hasta de 75 mm de dimetro. Soldadura a Tope

MANUFACTURA DE TUBERIAtamaos hasta de hasta 400 mm mm de dimetro3 a 15 mm espesor. SoldaduraElctrica a Topeformado en fro

dos rodillos electrodo que abastecen corriente al generar el calor

MANUFACTURA DE TUBERIAtamaos hasta de hasta 150 mm mm de dimetro

PerforadoPara producir tubo sin costura Calor de forja en un horno antes de ser perforado

MANUFACTURA DE TUBERIAPerforadotubos grandes hasta de 350 mm de dimetro se les da una segunda operacin

MANUFACTURA DE TUBERIA

MANUFACTURA DE TUBERIAExtrusin de Tubooperacin completa debe ser rpida y velocidades hasta de 180 m/min

MANUFACTURA DE TUBERIA

EMBUTIDOPara productos sin costura que no pueden hacerse con equipo convencional de rolado.

EMBUTIDOSe calienta una lupia a temperatura de forja y con un punzn de penetracin operado con una prensa vertical, la lupia se forma por forja dentro de un extremo hueco cerrado.

EMBUTIDOPara cilindros largos o tubos de pared delgada, pueden requerirse calentamientos y embutidos repetidos

EMBUTIDO

EMBUTIDO

RECHAZADO EN CALIENTESe usa comercialmente para conformar o formar placas circulares gruesas de alguna forma sobre un cuerpo giratorio y estrangular o cerrar los extremos de tubos

RECHAZADO EN CALIENTEEn ambos casos una especie de torno se usa para hacer girar la pieza rpidamente. El formado se hace con una herramienta de presin roma o rodillo que entra en contacto con la superficie de la pieza en rotacin y provoca el flujo del metal y que ste se conforme a un mandril de la forma deseada. Una vez que la operacin se desarrolla, se genera un considerable calor por rozamiento el cual ayuda a mantener al metal en estado plstico.

FORJADO TIBIOConocido como Termoforjado utiliza una temperatura intermedia que normalmente se usa para trabajo en fro y en caliente. No hay cambios metalrgicos en el metal ni imperfecciones de superficie frecuentemente asociadas con el metal trabajado a temperaturas elevadas.

FORJADO TIBIOLas lneas de flujo siguen el contorno de la pieza, se reducen las concentraciones de esfuerzos. La temperatura del metal y las presiones y velocidades de forjado deben controlarse cuidadosamente, puesto que el metal est abajo de la temperatura de recristalizacin.