Procesos de Conformado de Materiales

Se conoce como conformado a todas las operaciones que, por aplicación de fuerzas que deforman plásticamente al material, dan forma a una pieza, es decir, conforman la pieza. Se distinguen dos procesos básicos: conformado en caliente y en frío.

Conformado en Caliente

La conformación en caliente combina la deformación plástica por compresión con la elevada temperatura a la que se calientan las piezas, por encima de la temperatura de recristalización. A esta temperatura, el material se comporta con baja resistencia y gran plasticidad, facilitando dar formas complejas a las piezas. Como consecuencia de ello, se produce también una alteración de la estructura interna produciendo afino de grano (debido a la temperatura y también a la presión), dirección en las fibras (según la deformación) y mejora de las propiedades mecánicas. En general, se mejora la resistencia y la tenacidad del material. El acabado superficial no es tan bueno como en el conformado en frío.

Forja

Es un procedimiento de conformación por deformación plástica en el que se utilizan esfuerzos de compresión y energía térmica.

Descripción del proceso

Comprende tres fases bien definidas:

Calentamiento del metal

Debe hacerse uniformemente, evitando las diferencias de temperatura excesivas entre el núcleo y la periferia.

La temperatura de forja está comprendida entre dos límites:

  • El límite máximo será siempre inferior a la temperatura de fusión del metal o de los elementos de aleación.
  • El límite mínimo es siempre superior a la temperatura de recristalización.

Se recomienda la reducción de la permanencia en el límite máximo para evitar el crecimiento exagerado del grano. Asimismo, hay que mantener el metal por encima del límite mínimo el tiempo suficiente para que la recristalización sea completa.

Operaciones de forja

Son las operaciones de golpe o presión a las que se somete la pieza mediante la prensa. Pueden realizarse con estampa o sin ella (forja libre). El material, debido a las fuerzas a las que es sometido, modifica su estructura por eliminación de defectos internos y el afinado de grano.

Eliminación de defectos internos

El aplastamiento de la masa del metal produce el aplastamiento de las cavidades internas, cuyas paredes, si no están oxidadas, se unen íntimamente quedando perfectamente soldadas.

Afinado del grano

Depende de la temperatura de trabajo y de la deformación sometida a la pieza. En unos casos se logra disminuir el tamaño del grano y en otros se logra una mejor disposición de las fibras. En ambos casos mejoran las propiedades mecánicas del metal.

Enfriamiento

Debe ser lento. Puede hacerse al aire, aunque para los aceros duros y especiales es mejor enfriar en el horno o en un lecho de cenizas.

Los principales tipos de forja que existen son los siguientes:

Forja Libre

Es el tipo de forja industrial más antiguo. Se caracteriza porque la deformación del metal no está limitada (es libre) por su forma o masa. Se utiliza para fabricar piezas únicas o pequeños lotes de piezas, donde normalmente éstas son de gran tamaño. Además, este tipo de forja sirve como preparación de las preformas a utilizar en forjas por estampa.

Forja con Estampa

Este tipo de forja consiste en colocar la pieza entre dos matrices que al cerrarse conforman una cavidad con la forma y dimensiones que se desean obtener para la pieza. A medida que avanza el proceso, ya sea empleando martillos o prensas (de lo que posteriormente hablaremos), el material se va deformando y adaptando a las matrices hasta que adquiere la geometría deseada.

A menudo la estampación es un proceso que se realiza en varias etapas. Esto es debido a que no se puede deformar de manera adecuada el material de una sola vez ya que se podrían producir desgarros, falta de llenado de las estampas, etc.

La idea en un primer paso es distribuir el material en las diversas zonas de la pieza bruta. Una vez que el material ha sido distribuido en zonas, se le da la forma aproximada de la pieza y en la operación de acabado, mediante las estampas acabadoras, se lleva a la pieza su forma final.

Características mecánicas de las piezas

Los materiales que son forjados obtienen excelentes propiedades mecánicas gracias a la integridad metalúrgica. La repetibilidad de las largas series de productos idénticos hace que todas las piezas obtengan las mismas propiedades, como la tenacidad, ductilidad, la resistencia a la fatiga y a la corrosión, etc.

La estructura del grano o fibrado en un producto forjado es direccional, siguiendo el contorno de la pieza y las cotas y las superficies funcionales (tolerancias y acabados superficiales) se precisan posteriormente en el mecanizado posterior.

Disposición favorable de las fibras metálicas en una rosca laminada.

Características de las estampas (utillajes)

En el caso de la forja libre, los utillajes utilizados en el proceso (estampa superior e inferior) son planos y, por lo tanto, se permite el flujo libre del material en todas las direcciones menos en la de la aplicación de la fuerza. En el proceso, la altura de una pieza sólida colocada entre la maza y el yunque se reduce por compresión.

En el caso de la estampación, los utillajes utilizados en el proceso (estampa superior e inferior) no son planos, sino que tienen el negativo de la pieza a forjar. La estampa se compone de dos partes que se acoplan ordenadamente y reproducen así la forma exterior de la pieza, aunque no exactamente, ya que hay que aumentar las dimensiones en previsión de la contracción que se produce y también un desmoldeo para que la pieza se extraiga fácilmente.

También es preciso prever unas salidas de material para asegurar que el llenado de la estampa es correcto. La rebaba producida se eliminará en una operación posterior.

Es preciso escalonar la conformación de la pieza si su forma es difícil, lo que impide que la operación se haga de una sola vez. En tal caso hay que construir el número de estampas oportuno.

Prensas (Hidráulicas y mecánicas)

Las prensas aplican la presión sobre el material y proporcionan una deformación homogénea del material y mejores tolerancias que los martillos de impacto (viejas herrerías). Su capacidad viene definida por la fuerza disponible en la carrera de bajada de la estampa. Se clasifican en función del mecanismo utilizado para el movimiento de la estampa superior: prensas mecánicas e hidráulicas.

Prensas Mecánicas

Las prensas mecánicas utilizan la energía almacenada en un volante de inercia para transferirla a la pieza mediante engranajes, cigüeñal, excéntricas o levas.

Las prensas mecánicas tienen ciclos y carreras más cortos y menor capacidad de regulación, se utilizan en producción de series largas de piezas.

Prensas Hidráulicas

Las prensas hidráulicas están accionadas por un cilindro hidráulico servo controlado (sistema de control que mantiene la velocidad del motor constante entre ciertos límites y varía la carga de acuerdo a un programa). Son prensas que presentan una menor productividad que las prensas mecánicas, pero son capaces de generar grandes fuerzas a la vez que se tiene un control exhaustivo de la posición de la estampa superior. Esto las hace adecuadas para la forja libre de grandes piezas.

Laminación

Es un procedimiento de forja continua que consiste en modificar una masa metálica haciéndola pasar entre rodillos superpuestos, que giran en sentido inverso. La laminación se efectúa normalmente en caliente; sin embargo, existe la laminación en frío. Los metales laminados en frío adquieren acritud y deben someterse a recocido al final de la operación, e incluso en una etapa intermedia.

Descripción del proceso

El laminado se puede realizar de dos maneras, pero la mayor parte de las operaciones se llevan a cabo en caliente. Para realizar este tipo de laminado, la temperatura tiene que ser superior a la recristalización del acero, se reorienta el grano (fibrado en la dirección de laminación) y con ello se consigue una rugosidad entre doce y veinticinco micras Ra.

Por otro lado, cuando se buscan tolerancias y acabados de incluso por debajo de tres micras Ra, se llevan a cabo pasadas en frío por lo que se realiza un laminado en frío.

Tipos de utillajes y máquinas

Para la obtención de un producto laminado se necesitan varias operaciones en las que se va reduciendo el espesor paso a paso. Se parte de un espesor de doscientos milímetros que mediante rodillos o bastidores se reduce consiguiendo un espesor de treinta y cinco milímetros (en desbaste).

Y después, mediante otros rodillos (de acabado) se hace una reducción hasta chapa de dos milímetros usando siete bastidores.

El conjunto de bastidores forma el tren de laminación y existen diferentes configuraciones de rodillos. Los cilindros se agrupan en CAJAS o BASTIDORES. El conjunto de cajas forma el TREN de laminación. Existen diferentes configuraciones de bastidores (dos, tres, cuatro o más rodillos). Los cilindros suelen ser de acero forjado (normalmente) o de fundición de hierro.

  • Tren Blooming. Es un tren desbastador para el tratamiento de lingotes de acero. Produce el tocho (bloom) de sección cuadrada, de 120 a 500 mm de sección. Los cilindros de Blooming llevan una serie de canales, cuya disposición y medidas varían según se trate del modelo europeo o americano.
  • Tren de palanquilla. Sirve para reducir el tocho, desbastado en el Blooming, convirtiéndolo en palanquilla, semiacabado de sección cuadrada de 40 a 125 mm.
  • Tren comercial. Sirve para la obtención de los perfiles laminados comerciales. Cuando sirve para laminar perfiles de grandes dimensiones, se llama tren estructural. El producto de partida es el tocho o palanquilla en sus diversas medidas.

Extrusión

En el proceso de extrusión se empuja el material a través de una matriz, que es la responsable de la geometría del producto resultante. Se emplea para la fabricación de perfiles y tubos de sección constante en una amplia variedad de materiales (muy utilizado para perfiles de aluminio). En general el proceso se lleva a cabo en caliente, aunque hay algunos procesos de extrusión en frío.

Descripción del proceso

El proceso comienza con el calentamiento del material. Éste se carga posteriormente dentro del contenedor de la prensa. Se coloca un bloque en la prensa de forma que sea empujado, haciéndolo pasar por un troquel. Si son requeridas mejores propiedades, el material puede ser tratado mediante calor o trabajado en frío.

Extrusión en Caliente

La extrusión en caliente se hace a temperaturas elevadas, evitando así el trabajo forzado y hacer más fácil el paso del material a través del troquel.

Extrusión en Frío

La extrusión en frío se realiza alrededor de la temperatura ambiente. La ventaja de esta sobre la extrusión en caliente es la falta de oxidación, lo que se traduce en una mayor fortaleza debido al trabajo en frío. Con ello se consigue un buen acabado en la superficie y la rápida velocidad de extrusión si el material es sometido a breves calentamientos.

Los materiales que son comúnmente tratados con extrusión fría son los siguientes: plomo, estaño, acero, aluminio, cobre, titanio, vanadio, etc.

Tipos de utillajes y máquinas

La mayoría de la extrusión se realiza en prensas hidráulicas horizontales, por lo que la lubricación es necesaria. Puede ser aceite o grafito para bajas temperaturas de extrusión, o polvo de cristal para las altas temperaturas.

Los utillajes empleados en la extrusión en caliente y los órganos fundamentales que se emplean son, como se sabe: las matrices, los punzones, los discos de presión y los contenedores.

  • Matrices. Suelen construirse en varias piezas: matriz, contramatriz y portamatriz. La matriz, propiamente dicha, lleva el orificio con las medidas adecuadas a la pieza que se desea extruir, en un breve tramo de la sección longitudinal, siendo cónico el resto, para facilitar la deformación progresiva del material. Se fabrica en metal duro o acero aleado resistente al calor y al rozamiento. La contramatriz es un bloque de acero de menor calidad que sirve de apoyo directo de la matriz. Tiene su mismo orificio pero con tolerancias muy amplias para que no roce el material extruido. La porta matriz sirve para alojar las dos piezas citadas y va sujeta al cabezal de la prensa.
  • Punzones. Deben resistir fuertes presiones axiales, así como el intenso rozamiento que se produce con el material trabajado. Se fabrican en aceros como el F-5305 y el F-5307 o similares.
  • Discos de presión. Transmiten la presión del punzón al lingote. Se hacen generalmente del mismo material que los punzones.
  • Contenedores. Deben absorber solicitaciones axiales muy fuertes, así como el choque térmico producido por el tocho caliente y la deformación que éste sufre. A veces se construyen en dos piezas, una externa zunchada (provista de zunchos) y una camisa interna de acero F-5313, F-5317 o F-5318. Los zunchos hacen trabajar la camisa a compresión y contrarrestan notablemente la tracción tangencial producida.

Conformado en Frío

La conformación en frío se realiza mediante deformación plástica por compresión a temperatura ambiente. Se produce alineación y afino de grano, pero el material queda tensionado y aumenta su fragilidad. Hace falta un tratamiento de recocido para eliminar las tensiones. El acabado superficial que se obtiene es bueno.

Estirado de Tubos

El proceso de estirado, como norma general, se realiza como una operación de deformación plástica en frío y para secciones redondas. Las principales ventajas del proceso de estirado son estas:

  • Un mayor control de las tolerancias: podemos obtener un IT muy bajo.
  • Acabado superficial: podemos obtener un muy buen acabado superficial.
  • Propiedades mecánicas: mejora en la resistencia a flexión y mayor dureza.
  • Mayor capacidad de mecanización.

Descripción del proceso

Las operaciones que se realizan en el proceso de estirado son las siguientes:

Decapado

Se limpia, generalmente con ataques químicos y agua a presión, el material para eliminar el óxido que puede formarse en la superficie. Esto es necesario para prevenir daños en la matriz y en la superficie de trabajo.

Estirado

Se procede a colocar el material en la máquina para empezar el proceso de estirado. En este proceso es decisivo el uso de lubrificantes para no dañar la superficie del material al pasarlo por la matriz y aplicarle la reducción de sección.

En el estirado podemos distinguir, principalmente, dos procesos:

  1. En el estirado de alambres (trefilado) podemos conseguir una reducción del 50% del espesor en barras menores de 150 mm, utilizando el proceso descrito anteriormente.
  2. El estirado de tubos se utiliza para reducir el espesor de la pared de los tubos sin costura, los cuales se han producido por medio de otros procesos, como por ejemplo extrusión.
Acabado

Una vez el material estirado pasa por un proceso de enderezamiento y un ligero recocido de eliminación de tensiones, y si el caso lo requiere, algún tratamiento térmico para mejorar sus características mecánicas.

Tanto el estirado como el trefilado requieren las siguientes condiciones:

  • Escalonamiento adecuado de las reducciones de sección. Por tratarse de un proceso de conformación en frío es preciso vigilar para que no se superen los límites que impone cada material, ya que la acritud adquirida provocaría la rotura de la barra o de los órganos de trabajo.
  • Construcción de la matriz o hilera, según las exigencias del trabajo. Esto implica dureza y pulido adecuado, así como un ángulo de entrada correcto.
  • Material del tubo de buena calidad. Es decir, libre de defectos internos y con la superficie exterior desprovista de cascarilla.
  • Utilización del lubricante adecuado. Para disminuir el rozamiento entre la matriz y el material, lo que se traduce en un mejor acabado y en una reducción de las solicitaciones de tracción que aquél debe resistir.

Tipos de utillajes y máquinas

El estirado se realiza en los denominados bancos de estirar, formados por una robusta bancada con una cabeza porta hilera, un carro de tracción provisto de mordaza para sujetar la barra y un dispositivo para desplazar el carro (de cremallera, cadena sinfín, cilindro y pistón, etc.). Es muy frecuente utilizar bancos de estirado múltiples, generalmente de tres bancos.

La pieza, tras ser afilada, es introducida en el orificio de la hilera, sujetándose su extremo con una mordaza y procediéndose a estirar, por ejemplo con una cadena que está accionada por un motor. La hilera es el órgano fundamental del estirado y su perfil longitudinal se puede dividir en cuatro partes:

Conformado de Chapa

El conformado de chapa es la obtención de piezas partiendo de chapa laminar mediante operaciones de doblado, corte y embutición.

Características de la chapa

Las características mecánicas de los productos de chapa son los siguientes:

  • Formas complejas con excelentes acabados superficiales.
  • Piezas de elevada relación rigidez/peso
  • Alta productividad (ratios de hasta 1500 piezas/hora).
  • Solo se justifican series largas (coste de utillajes y medios de producción).

Las industrias del automóvil, envases y electrodomésticos son grandes usuarios de los procesos de conformado de chapa.

Descripción del Doblado

Generalidades

El doblado y curvado son operaciones que consisten en obtener una pieza de chapa con generatrices y bordes rectilíneos, sin someter el material a grandes desplazamientos moleculares en el transcurso de la operación.

Doblez en ángulo vivo

Si deseamos obtener la pieza doblada a partir de la chapa, doblando en arista viva se produce un adelgazamiento de la chapa en la zona doblada que puede alcanzar valores de hasta el 50 por 100 del espesor.

Doblez en ángulo redondeado

Con un radio interior del valor del espesor de chapa, como mínimo, la disminución del espesor de la chapa en el doblez no sobrepasa el 20 por 100 de e, y si se hace el radio interior en 5 veces el espesor e, la disminución de dicho espesor sólo alcanza el valor del 5 por 100 de e.

El adelgazamiento es el factor clave en la reducción de resistencia de la chapa y por tanto donde se producen las roturas de la pieza.

Toda pieza doblada tiende a recuperar ligeramente su forma primitiva tan pronto como el útil doblador deja de ejercer su acción, a esto se le llama recuperación elástica después del doblado. La recuperación es menor que cuando están cuando el material está con acritud; también depende del espesor de la chapa: a menor espesor, mayor ángulo de recuperación, y, finalmente, depende del radio de curvatura, teniendo éste una gran influencia sobre el ángulo de recuperación, o sea que a mayor radio de curvatura le corresponde mayor ángulo de recuperación.

Troquel de doblado

Como se puede observar en la imagen, requerimos para realizar este proceso de un punzón (b), una matriz (a) y un pisador (c) para evitar que la chapa doblada se combe.

El RADIO DE DOBLADO, si el punzón y la matriz no tienen el radio de doblado necesario se puede romper la chapa porque se dificulta la deformación y se produce desgarro.

JUEGO ENTRE PUNZON y MATRIZ. La separación entre punzón y matriz debe ser de: 11/10 espesor de chapa. Si se dejase solamente el espesor e de la chapa, entre punzón y matriz, como dicho espesor no es rigurosamente exacto, podría ocasionarse el agarrotamiento del útil al efectuar el doblado y en todo caso se desarrollarían fuerzas de doblado muy superiores a las calculadas.

Descripción del Corte

El punzonado es una operación de corte de chapas o láminas, generalmente en frío, mediante un dispositivo mecánico formado por dos herramientas: el punzón y la matriz. La aplicación de una fuerza de compresión sobre el punzón obliga a éste a penetrar en la chapa, creando una deformación elastoplástica inicial seguida de un cizallamiento y rotura del material por propagación rápida de fisuras entre las aristas de corte del punzón y matriz.

Mecánica del corte
  1. Deformación: los esfuerzos del punzón sobre la chapa metálica, originan en ésta una deformación, inicialmente elástica y después plástica, alrededor de los bordes del punzón y matriz.
  2. Penetración: los filos de corte del punzón y matriz penetran dentro del material, produciéndose grietas en el material debido a la concentración de tensiones a lo largo de los filos de corte.
  3. Fractura: las grietas originadas a uno y otro lado de la chapa se encuentran, originando la separación del material. Asimismo, el punzón continúa su descenso para expulsar el recorte. El juego de corte J, permite la penetración del punzón en la matriz y la expulsión del material cortado.
Características en los bordes de la chapa
  1. Deformación plástica caracterizada por un pequeño radio R.
  2. Zona bruñida de aspecto brillante caracterizada por el ancho D.
  3. Fractura angular, con aspecto mate, definida por la penetración P.
  4. Rebaba caracterizada por su altura H.
Troquel de corte

El troquel de corte se compone de un punzón que al ejercer presión sobre la chapa que descansa sobre la matriz, produce un cizallamiento en todo su alrededor, originándose el corte.

Además se encuentra un pisador que no permite la deformación de la chapa y extrae la chapa del punzón, y en algunos casos se encuentra un expulsor que extrae la pieza cortada del troquel.

Juego Matriz punzón

La fractura angular y la calidad del corte dependen del juego entre matriz y punzón.

Con un juego insuficiente entre punzón y matriz, se produce un corte secundario. Las grietas iniciales correspondientes al punzón y matriz no están alineadas, y por tanto, no llegan a encontrarse.

Posición relativa de las grietas según el juego.

Cuando el juego empleado es demasiado bajo empiezan a aparecer cortes secundarios que perjudican la calidad de los bordes. Hay que destacar, que al disminuir el juego de corte se produce una mejora en la precisión de la pieza, sin embargo, otros factores como el desgaste de las herramientas o la energía consumida se ven afectados negativamente.

En el caso de tener un juego de corte excesivo aparece una deformación plástica excesiva, una parte bruñida menor y una altura de rebaba mayor. Por otro lado, hay que resaltar que, al aumentar el juego de corte por encima de los valores normales, se reducen las fuerzas de corte y aumenta la vida de la herramienta en detrimento de la precisión obtenida en los bordes.

El juego de corte apropiado será aquel tenga una deformación plástica y altura de rebaba pequeñas. Esto ocurre cuando las grietas iniciadas desde el punzón y matriz se encuentran alineadas

Juego Matriz punzón en el corte de precisión:

Descripción de la Embutición

La embutición consiste en formar, a golpe de prensa, recipientes (tapas, cubetas, envases, etc.), partiendo de una chapa plana y conservando el objeto obtenido el mismo espesor que la chapa de partida.

En el proceso seguido, se produce un gran desplazamiento molecular del material.

Acritud del metal embutido

El gran desplazamiento molecular que tiene lugar durante la embutición proporciona cierta acritud al metal, acritud que será tanto más grande cuanto mayor sea la profundidad de embutición, puesto que en este caso mayor será también el desplazamiento molecular.

Al aumentar la acritud de un metal, su resistencia a la rotura también aumenta, pudiendo incluso duplicar su valor, así como el límite elástico que sigue a esta elevación de resistencia, aproximándose hasta la carga de rotura, mientras que el tanto por ciento de alargamiento se hace menor. Como consecuencia, el material se hace más duro y más frágil, pudiendo llegar a imposibilitar sucesivas operaciones de doblado o de embutición.

La embutición: reducir el diámetro D al diámetro d se origina durante la embutición, fuerzas de compresión T, que son las que hacen fluir el material, pudiendo originar ondulaciones que terminan en repliegues o arrugas si d < 0,8 D.

Para evitar estos inconvenientes, se equipa el útil embutidor de un pisador, que al ejercer presión sobre la chapa elimina la posibilidad de formación de arrugas.