Procesos de conformado de metales

Prensado

El prensado implica cuatro etapas principales: deformación elástica, deformación plástica, endurecimiento por deformación y fractura. Las operaciones de corte comunes incluyen perforado, creación de piezas en bruto, recortado, cizallado y desbastado.

Herramientas simples para perforar

Una herramienta simple para perforar consta de varios componentes, como apoyo, dado, colocador espaciador, armazón, punzón y porta punzón.

Piezas en bruto

En la creación de piezas en bruto, se conserva el material cortado. Los principios de corte y holguras son similares a los del perforado.

Ángulo de corte

El ángulo de corte mejora la eficiencia del corte y facilita la carga de la herramienta. Es crucial cuando se trabaja con materiales gruesos y se aplica tanto al punzón en el taladrado como al dado en la producción de piezas en bruto.

Distribución de la producción

Una distribución eficiente de la producción minimiza el desperdicio de material. Si la pieza en bruto se va a doblar, es esencial considerar la orientación del grano, asegurando que la línea de doblado sea perpendicular al grano.

Tipos de prensas

  • Manuales:
    • Prensa de volante: utiliza bolas de hierro en los extremos del brazo para generar el momento requerido.
    • Prensa de palanca: ideal para trabajos delicados, aplica fuerza mediante un sistema de palancas.
    • Prensa de pie: operada con un pedal y un sistema de palancas que amplifica la fuerza, dejando las manos del operador libres. Se utiliza en trabajos ligeros de ensamblaje.
  • Mecánicas:
    • Prensa de acción simple con armadura en “C”: el momento se almacena en un volante, impulsado por un motor eléctrico y acoplado al cigüeñal mediante un embrague para realizar el trabajo.
    • Prensa de acción simple y de dos lados: mucho más rígida que la prensa con armadura en “C”, se utiliza en operaciones de corte y conformado pesados.

Procesos primarios de formación

Fundición

La fundición implica la fusión de pequeños lingotes y chatarra, controlando cuidadosamente la composición y las propiedades de la mezcla. La mezcla se licua en un horno crisol o cubilote.

Propiedades al fundirse:

  • Fluidez: capacidad del metal fundido para fluir fácilmente y llenar completamente la cavidad del molde.
  • Fusibilidad: capacidad del metal para fundirse fácilmente a una temperatura baja.

Tipos de metales para fundición:

  • Hierro fundido: alto contenido de carbono, gran fluidez, elevada fusibilidad, adecuado para piezas de cualquier tamaño.
  • Acero al bajo carbono: baja fluidez (alta viscosidad), adecuado para formas simples de fundición, baja fusibilidad, requiere cuidado en la selección de la arena y la ventilación del molde.

Estructura cristalina:

La estructura cristalina no es homogénea y varía desde el núcleo hasta la superficie, dependiendo del ritmo de enfriamiento.

Ventajas de la fundición:

  • Permite crear formas simples y complejas.
  • Adecuado para tamaños pequeños y grandes.
  • Baja inversión inicial, especialmente al utilizar arena para producir pocas piezas.
  • Bajo costo del proceso.

Limitaciones de la fundición:

  • Los materiales de baja fusión limitan la complejidad de las formas.
  • Dificultad para controlar el tamaño del grano.
  • Menor resistencia física que las piezas forjadas.
  • Sujeto a burbujas, porosidad, etc.
  • Maquinado costoso.

Arena para moldeado

La arena para moldeado debe reunir las siguientes propiedades:

  • Cohesividad: capacidad de conservar su forma.
  • Refractaridad: capacidad de soportar el material fundido a altas temperaturas.
  • Permeabilidad: capacidad de mantenerse porosa para que los gases puedan escapar.

Forjado

El forjado implica la manipulación de metales mediante golpes para reducir su espesor, calentándolos para su doblado. El sobrecalentamiento produce debilidad, mientras que el forjado por debajo de la temperatura mínima produce endurecimiento y quebraduras. Los materiales a forjar deben poseer la propiedad de maleabilidad.

Después de la forja:

Las propiedades del material mejoran, con un gran aumento en la rigidez que depende de dos factores: el refinado del grano y la orientación del grano. El grano se orienta hacia el perfil del componente.

Metales que pueden ser forjados:

Aluminio, cobre, latón, hierro forjado, aceros (suave, al medio carbono, al alto carbono, rápido).

Procesos de laminación

La laminación se considera un proceso continuo de forja y se puede realizar tanto en caliente como en frío.

Laminado en caliente:

Ventajas:

  • Discontinuidades soldadas a presión.
  • Material homogéneo.
  • Grandes reducciones en tamaño con cada paso.

Limitaciones:

  • Baja precisión en las dimensiones.
  • Ausencia de “derechura”.
  • Mal acabado superficial.
  • Estructura granular burda.

Laminado en frío:

Ventajas:

  • Elevada precisión dimensional.
  • Buen acabado superficial.
  • Buenas cualidades para el mecanizado.

Limitaciones:

  • Pequeñas reducciones con cada paso.
  • Rodillos rectificados con frecuencia.
  • Más costoso que el laminado en caliente.

Tipos de laminadora:

La clasificación de las laminadoras se basa en la disposición de los rodillos:

  • Dúo reversible: el más sencillo, el metal pasa de un lado a otro.
  • Trío: tres rodillos dispuestos verticalmente.
  • Cuarto: sistema “Sendzimir” con rodillos adicionales que respaldan los rodillos de trabajo, aplicando mayor presión al metal sin que se produzcan desviaciones. Produce tiras acabadas laminadas en frío y brillantes, mejorando la rigidez sin aumentar el arco de contacto de los rodillos de trabajo.

Procesos comunes de laminado:

Planchado, forjado en lingotes, relaminado.

Procesos de mecanizado por arranque de viruta

Electroerosión

La electroerosión es un proceso de eliminación de material mediante descargas eléctricas que saltan entre dos polos. Ofrece simplicidad mecánica del equipo y mecanizado de gran precisión en todo tipo de materiales.

Principio físico de la electroerosión

Tanto la pieza como el electrodo deben ser conductores para que se establezca el arco eléctrico que provoque el arranque de material. El mecanizado se realiza mediante el salto de chispas eléctricas entre dos electrodos a una determinada tensión, sumergidos en un líquido aislante (dieléctrico). La pieza actúa como ánodo (+) y el electrodo como cátodo (-). La tensión de rotura del dieléctrico está determinada por la distancia entre los electrodos y el poder aislante del dieléctrico.

Se crea un canal de descarga que se vuelve conductor, salta la chispa, provocando colisiones entre iones y electrones. Se forma un canal de plasma y los choques crean altas temperaturas en ambos polos alrededor del canal de plasma (la bola de gas crece), fundiendo y vaporizando parte del material de la pieza. El electrodo se gasta ligeramente. Se corta la corriente, el plasma se derrumba, la chispa desaparece y el dieléctrico rompe la bola de gas. El material fundido solidificado es arrastrado por el líquido dieléctrico.

Modelos de electroerosión (EDM)

Existen dos modelos principales de electroerosión: por penetración y por hilo.

Corte de materiales

Oxicorte

El oxicorte utiliza un gas combustible (acetileno, hidrógeno) para producir una llama que calienta la pieza y un comburente (oxígeno) que la oxida para producir el corte. Es un proceso económico y rápido, pero su desventaja es la terminación superficial, dejando un perímetro descarburizado en el material.

Arco-aire

El arco-aire es un proceso de mecanizado que funde el material por efecto del arco eléctrico, mientras que el aire barre el metal cortado. Requiere aire seco y caudaloso, y el material a cortar debe ser conductor. Su ventaja radica en la naturaleza del arco y su barrido de aire.

Plasma

El corte por plasma eleva la temperatura del material por encima de los 30.000 °C, alcanzando el cuarto estado de la materia: el plasma. Provoca un arco eléctrico estrangulado, concentrando la energía en una boquilla pequeña. Su ventaja es el reducido riesgo de deformaciones debido a la concentración de energía y la economía de gases aplicables. El equipo necesario incluye un generador de alta frecuencia, gas y portaelectrodos.

Láser

El corte por láser se aplica principalmente a materiales metálicos. Es importante tener en cuenta la calidad y los recubrimientos del material para obtener resultados óptimos. El diámetro del spot es de aproximadamente 0,3 mm y permite cualquier orientación de corte dentro del campo de trabajo. No hay contacto con la pieza, por lo que no hay desgaste de la herramienta. Su desventaja es el límite de espesor máximo que se puede cortar.

Chorro de agua

El chorro de agua puede cortar cualquier material. Utiliza agua con abrasivo a muy alta presión para realizar el corte. El tipo y espesor del material determinan el avance de corte.

Hilo

El corte por hilo es un tipo de electroerosión. Es un proceso lento pero perfecto, capaz de trabajar con materiales con tratamiento térmico. Su ventaja radica en la terminación, la calidad dimensional y el hecho de que el hilo de cobre no se reutiliza (buena terminación), mientras que el hilo de molibdeno sí se reutiliza (mala terminación).

Tecnologías CNC

Ejes

Un eje CNC está formado por varios componentes: soporte del motor, unión motor-tornillo, rodamientos del soporte, tornillo de bolas, unión carro-eje. Este sistema determina la respuesta dinámica de la máquina y la precisión del posicionamiento.

Tornillo de bolas

El tornillo de bolas convierte el movimiento rotativo del motor en movimiento lineal de la hembra del husillo. El paso del tornillo determina el par necesario dada una velocidad angular del motor. La precisión del rectificado del tornillo influye en la precisión del eje, y su rigidez está determinada por su geometría y por el sistema de fijación del tornillo en sus extremos (K=E.I/L.α).

Extremos del tornillo:

  • Libre: sin ningún soporte.
  • Soportado: con rodamiento radial libre axialmente.
  • Fijo: axial y radialmente fijo.

Soluciones:

MAV con extremo fijo-soportado o fijo-fijo.

Control térmico y evacuación de calor

El calor se produce por la fricción de la rosca del tornillo en la hembra de bolas. Al dilatarse el tornillo, no se producen piezas con precisión. La variación de longitud del tornillo afecta a los soportes del mismo y, por tanto, a la rigidez del sistema. Se utilizan refrigeraciones con aceites que pasan por los tornillos, que están agujereados para evitar dilataciones excesivas.

Solución complementaria:

Montar el tornillo con soporte fijo-fijo con pretensión. La pretensión absorbe los efectos de la dilatación. Para pequeñas variaciones de temperatura, el sistema de fijación es menos robusto.

Límite de velocidad permisible

Es la velocidad que el husillo no puede exceder en ningún momento. Es el producto entre las rpm y el diámetro del eje del husillo (mm). Hacer girar el husillo al límite de velocidad permisible acorta la vida de trabajo. En aceleraciones y desaceleraciones, se recomienda trabajar bajo cargas externas nominales y aplicar una precarga ligera a la tuerca para evitar el deslizamiento interno. Una precarga alta produce aumentos de temperatura interna.

Lubricación

La lubricación debe considerarse en cantidad y calidad, volumen, distribución y frecuencia.

Juego axial y precarga

Las tuercas precargadas tienen una deformación elástica menor que las tuercas sin precargar. Se precarga cuando la precisión de posicionamiento bajo carga es importante. La precarga es una fuerza aplicada a un conjunto de dos medias tuercas para apretarlas entre sí o para separarlas. Elimina el juego o aumenta la rigidez del montaje.

Recarga: coeficiente del par de carga. El par depende del tipo de tuerca y del tipo de precarga.

Rigidez axial estática (sistema completo)

La rigidez total del sistema siempre es menor que la rigidez individual más pequeña. Al precargar la tuerca, el juego interno se elimina, la deformación elástica aumenta y la rigidez general aumenta. La deformación elástica del eje del husillo es proporcional a su longitud e inversamente proporcional al cuadrado del diámetro del fondo de la rosca. Un aumento grande de la precarga de la tuerca y el rodamiento de soporte produce un aumento limitado de la rigidez y un aumento del par de precarga y la temperatura de funcionamiento ideal.

Encoders

Un encoder es un transductor rotativo que transforma el movimiento angular en impulsos digitales. A través de estos impulsos, controla los desplazamientos angular y lineal. Sus principales aplicaciones incluyen máquinas herramienta, robots, sistemas de motores, aparatos de medición y control.

Elementos que lo constituyen:

  • Rotor: con grupos de bandas opacas alternadas.
  • Estator: con captadores ópticos que detectan la presencia o ausencia de la banda opaca.

Encoder incremental

El encoder incremental proporciona un número determinado de impulsos por vuelta y requiere un contador para determinar la posición. Proporciona dos formas de onda cuadrada desfasadas 90° eléctricos entre sí, denominadas “canal A” y “canal B”. La lectura de un canal proporciona información sobre la velocidad de rotación, mientras que la señal B permite discriminar el sentido de rotación en base a la secuencia de datos que producen ambas señales. También puede haber un canal Z o cero que proporciona la posición absoluta de cero. La precisión depende de factores mecánicos y eléctricos.

Encoders absolutos

El encoder absoluto determina la posición mediante la lectura de un código de salida. No pierde la posición real cuando se corta la alimentación, ya que esta está actualizada y disponible. El código de salida es el código Gray, en el que al pasar entre dos códigos consecutivos, solo uno cambia de estado.

Conos

El montaje del cono es un factor de suma importancia. Los requisitos incluyen un montaje y desmontaje sencillo, permitir el cambio automático de conos, un ajuste preciso con el husillo de la máquina y un perfecto alineamiento del eje de la herramienta con el eje del husillo, sin introducir pérdidas de rendimiento ni rigidez al sistema. Un sistema portaherramientas no mejora el comportamiento de una herramienta mal elegida o de un husillo dañado, pero un mal sistema portaherramientas sí puede reducir la vida de la herramienta y del husillo.

Conos ISO-HSK: menor rigidez en la unión

En este tipo de conos, al aumentar la velocidad de giro, la fuerza centrífuga también aumenta, provocando la expansión del eje del husillo. Esto desencadena dos problemas: imprecisión en el mecanizado debido al desplazamiento de la herramienta respecto del husillo, y atoramiento del cono en caso de que el husillo frene bruscamente. Estas circunstancias hacen que los conos HSK sean los más difundidos.

Ventajas de los conos HSK

Las ventajas de los conos HSK se deben a dos factores:

  • Sistema de amarre: a medida que la velocidad aumenta, se garantiza el contacto en todo momento, permitiendo condiciones de corte más agresivas y aportando mayor rigidez y precisión.
  • Unión del cono y el husillo: existe un doble contacto que evita que el conjunto cono-herramienta se introduzca dentro del husillo.

Clasificación de los conos HSK

HSK-63A (el más común): 63 indica el diámetro exterior del plato que asienta sobre la cara del husillo, A indica el tipo de cono. A es el tipo general, B tiene un plato mayor que A. E y F eliminan marcas y el sistema de guiado que afectan al equilibrado.

Desventaja de los conos HSK

Los conos HSK son sensibles a la presencia de partículas como viruta o lubricante. Si no se limpian correctamente, se impide el correcto asiento del cono.

Sujeción de la herramienta

Se busca una unión que cumpla con los siguientes requisitos: precisión para minimizar la desalineación de la herramienta con el husillo, máxima rigidez en la unión y simetría del conjunto para evitar desequilibrio.

Métodos de sujeción de herramientas al cono

  • Sujeción mecánica mediante pinza: es el método más utilizado, válido para la gran mayoría de las aplicaciones del MAV, además de económico. Se pueden tener distintas pinzas para un solo cono, permitiendo montar herramientas de diferentes diámetros en un solo cono. Sin embargo, para algunas operaciones, este método no posee la rigidez ni la precisión necesarias.
  • Conos hidráulicos: amarran la herramienta mediante un sistema hidráulico aislado del exterior, por lo que las impurezas no pueden dañar el sistema de amarre. Brindan precisión y rigidez, soportando elevadas fuerzas de corte. Su desventaja es el elevado costo y que solo se puede utilizar herramientas de un solo diámetro con cada cono. Se utilizan en operaciones de acabado y en el mecanizado de moldes en materiales duros.
  • Zunchado térmico: se realiza mediante calentamiento por inducción, dilatando el orificio para la herramienta. Este método sujeta a la herramienta con excelente rigidez y una desalineación muy baja. Son mucho más sencillos que los conos hidráulicos y menos costosos, pero requieren adquirir un calentador por inducción como equipo adicional.

Equilibrado

El desequilibrio produce vibraciones que afectan la calidad superficial y pueden provocar roturas de la herramienta y el husillo. El equilibrado busca contrarrestar los efectos negativos de la excentricidad del sistema husillo-cono-herramienta. El desequilibrio se puede producir por la presencia de elementos asimétricos en el cono portaherramientas, guías que no son simétricas o imperfecciones en el propio cono. Como norma general, se debe mantener la fuerza de desequilibrio por debajo de las fuerzas de corte. La norma más extendida es la ISO 1940-1, que establece distintas “clases G”. Cuanto menor sea la clase G, mejor es el equilibrado.

Para minimizar el desequilibrio herramienta-cono se puede:

  • Minimizar el runout de la herramienta.
  • Utilizar herramientas cortas.
  • Manipular el conjunto con cuidado.

Motores lineales y guías lineales

Motor lineal

Un motor lineal es un motor rotatorio “desenrollado”. Consiste en un elemento primario donde se encuentran los devanados y un secundario que se extiende a lo largo de la distancia que se va a recorrer. Ofrece la ventaja de poder disponer de varios primarios sobre un mismo secundario. Existen motores lineales síncronos y asíncronos.

Guías lineales

Las guías lineales, junto con el sistema de medida lineal y el regulador electrónico, forman el conjunto activo del accionamiento lineal.

Inconvenientes

La disipación del calor generado por los motores lineales requiere un sistema de refrigeración y aislamiento térmico para que puedan operar con precisión. El calor generado compromete el nivel de precisión y las prestaciones.

Conclusiones

Los motores lineales eliminan componentes mecánicos de las transmisiones utilizadas en los accionamientos tradicionales, incrementando los niveles de velocidad, aceleración y precisión a alta velocidad.