Tema 3.2. Procesos de Conformado Plástico (1) PDF

2. FORJA El forjado es un proceso de conformado por deformación plástica en el cual se comprime el material situado entre dos matrices, de forma gradual o mediante impactos, hasta llegar a la forma deseada, con el material calentado a una Tª superior a la de rec...

2. FORJA El forjado es un proceso de conformado por deformación plástica en el cual se comprime el material situado entre dos matrices, de forma gradual o mediante impactos, hasta llegar a la forma deseada, con el material calentado a una Tª superior a la de recristalización Matriz Pieza Matriz De los procesos de conformado de metales más antiguos (8000 - 4000 a.C.). Joyería, armas y monedas Producen piezas discretas, a diferencia del laminado (placas, láminas o perfiles) Normalmente en caliente  Tªrecristalizacion < Tªforja < Tªfusión Suelen requerir operaciones adicionales de acabado  geometría (mecanizado) y propiedades mecánicas (tratamientos térmicos) Productos característicos  Remaches, tornillos, herramientas, engranajes… 5 2. FORJA Control del flujo de material y estructura del grano  Piezas con buena resistencia y tenacidad  Usada en aplicaciones críticas (seguridad y fiabilidad) Flujos y estructura de grano en distintos procedimientos de fabricación Fundición Mecanizado Forja Límite cantidad de deformación a aplicar  3 veces φ barra inicial  Material doblado o arrugado en lugar de comprimido 6 2. FORJA Forjabilidad  Capacidad de un material para soportar una deformación sin romperse. 7 2. FORJA Clasificación Tª Trabajo < Tª Recristalización FRÍO Mayores esfuerzos  Endurecimiento por deformación Buen acabado superficial y precisión dimensional Tª TRABAJO La mayoría CALIENTE Tª Trabajo > Tª Recristalización Menores esfuerzos Peor acabado superficial y precisión dimensional Golpes rápidos Martinete o martillo IMPACTO Presión máxima al inicio del impacto Energía del impacto se consume en la deformación Prensa de forja F APLICADA Compresión a poca velocidad GRADUAL Aumento de la presión con la deformación del material Presión máxima antes de la descarga FORJA Zona deformada más profunda ACABADAS Forma definitiva PIEZAS Forma aproximada  Acabado por mecanizado (u otro DESBASTE procedimiento) Material se deforma libremente entre LIBRE la superficie activa de forja GEOMETRÍA PROCESO Herramienta circunda casi totalmente ESTAMPA la pieza, excepto una zona libre Restricción del flujo de material Herramienta circunda totalmente la RECALCADO pieza 8 2. FORJA FORJA LIBRE Se reduce la altura (espesor) y se incrementa el diámetro (anchura) de la pieza. La deformación no está limitada Se obtienen piezas de geometría sencilla, series pequeñas, diversidad de tamaños Generalmente en caliente  Acabados bastos  operaciones de acabado Se confiere a la pieza flujo y estructura de grano favorables 9 2. FORJA FORJA LIBRE Defecto típico en forja libre  ABARRILAMIENTO  Debido a las fuerzas de fricción entre matriz y pieza  Usar lubricantes a) Cilindro comprimido en estado inicial b) Deformación uniforme sin fricción c) Deformación con fricción Puede aparecer también al forjar piezas calientes entre matrices frías  material cercano a la matriz se enfría más rápido que el resto  Mayor resistencia a la deformación que la zona central  Usar matrices calientes o barreras térmicas entre pieza y matriz (tela de vidrio)  Forjado isotérmico 10 2. FORJA FORJA LIBRE MARTINETE Descarga por impacto contra el material de trabajo. Se necesitan varios golpes Golpes rápidos. Presión máxima al inicio del impacto. Energía de impacto consumida en la deformación.  Por gravedad (caída libre)  Fuerza función de la altura de caída y peso del martillo  De potencia aceleran la caída mediante aire comprimido Problemas de transmisión de vibraciones al suelo 2. FORJA FORJA LIBRE PRENSAS DE FORJADO Aplican una presión gradual en lugar de impactos. Compresión a poca velocidad Aumento de la presión con la deformación del material Presión máxima antes de la descarga Zona deformada más profunda Mecánicas, hidráulicas y de tornillo 12 2. FORJA ESTAMPACIÓN Forja con estampa o semicerrada El material adquiere la forma de la matriz (estampa) con la que se trabaja Debido a las grandes deformaciones  Varias etapas (empleo de varias matrices) Rebaba  Exceso de material que fluye entre las aberturas de las matrices  Asegura el llenado completo  Fricción se opone a que siga fluyendo Grandes series (rentabilidad)  alto coste de las estampas Piezas complejas con buena precisión En caliente  Rebaba más delgada se enfría  favorece el llenado Piezas forjadas en caliente  Problemas de enfriamiento en la zona de contacto matriz-pieza  Forja isotérmica  Matrices calentadas a la temperatura de trabajo 13 2. FORJA ESTAMPACIÓN Diseño de matrices  Determinar el número de pasos necesarios desde el material de partida a la forma final Ejemplo: Etapas de forjado de una biela 1. Pieza bruta (barra) 2. Recalcado 3. Estampación 4. Acabado 5. Recorte (Nótese la cantidad de rebaba necesaria para asegurar el correcto llenado) Fundamental  Definir los planos principales de fluencia A partir de los cuales se inicia el desplazamiento del material (simetría, unión de centros de masa…) 14 2. FORJA RECALCADO Forja cerrada (por recalcado  ↓ Longitud y ↑ espesor) El material queda contenido completamente dentro de la matriz durante la compresión y no se forma rebaba  Más económico Control cuidadoso del diseño de la matriz y las variables del proceso  V material = V matriz (con tolerancias estrechas) Exceso de material  Presión excesiva  Puede dañar las matrices Volumen deficitario  Llenado incompleto  Defectos pieza Adecuado para geometrías simples y simétricas (Al, Mg y sus aleaciones) ESTAMPACIÓN RECALCADO Secuencia de operaciones para producir clavos, remaches y tornillos mediante recalcado 15 2. FORJA Acuñado Caso particular del recalcado Impresión de finos detalles de las matrices en la parte superior e inferior de la pieza Poco flujo de material pero presiones muy altas Acuñación de monedas Aumento de la precisión dimensional y el detalle de piezas procedentes de otros procesos 16 2. FORJA Defectos Grietas y plegado: zonas excesivamente trabajadas, materiales frágiles, temperatura demasiado baja, zonas de difícil llenado  Formación de pliegues por torcedura del alma  aumentar espesor del alma  Aparición de grietas  Material cilíndrico muy grande  Cavidades se llenan de forma prematura  Material del centro pasa a los las regiones llenas Exceso de tensiones residuales: Se eliminan con tratamiento térmico. Falta de penetración: Deformación solo en capas superficiales. Pandeo: Las piezas esbeltas han de tener una relación longitud/diámetro inferior a 3. Colocación de guías. Abarrilamiento: Debido al rozamiento en la interfaz de contacto herramienta-pieza. Estructura de fibra: Se evita con reducciones inferiores al 50-70% de la sección transversal. 17 3. LAMINACIÓN Definición El laminado es un proceso de conformado por deformación plástica en el cual el espesor de un material es reducido mediante fuerzas de compresión que ejercen dos rodillos opuestos, que giran para coger el material y comprimirlo entre ellos. Requiere una fuente muy grande de potencia (desarrollo en la 1ª Rev.Ind.) Elevada inversión de capital  Requieren elevadas producciones En caliente y en frío Proceso de conformado más usado (material fundición pasa por laminación antes de forjado) Aplicable a todos los metales y sus aleaciones que sean dúctiles y maleables (aceros, Al, Cu, Zn, Mg, Pb, Sn y sus aleaciones) 18 3. LAMINACIÓN En caliente  Formas intermedias (tocho, plancha o petaca) libres de tensiones residuales y propiedades isotrópicas, pero con tolerancias no estrechas y óxido en la superficie  Nuevas laminaciones en caliente o frío hasta obtener el producto final  Distintos perfiles comerciales  Menos esfuerzos  Peores tolerancias y acabados  Permite mayores deformaciones 19 3. LAMINACIÓN En frío  Requiere mayores cargas  Se obtienen mejores acabados y tolerancias más estrechas  Mejores propiedades mecánicas  Se utiliza en operaciones de acabado, en láminas preconformadas en caliente y chapas de poco espesor 20 3. LAMINACIÓN Productos de Laminación Fases  Sucesivos laminados Limpiado químico Laminado Laminado y lubricado en frío en caliente (chapa) Producto de partida  Lingote Laminado en frío Primera laminación  Desbaste Plancha o Tubo soldado (chapa para tubos) planchón Nueva laminación  Semielaborado (SLAB) Laminación final  Acabado Planchas Laminado en Perfiles caliente Palanquillas Barras laminadas Chapas Barras estiradas en frío en caliente Colada Tubos continua o lingotes Llantas y llantones Palanquilla Fermachine Alambres (sección cuadrada) laminado en caliente Se puede afirmar que casi todas las (BILLET) piezas que se fabrican han pasado Barra para tubo previamente por un proceso de laminado. Tubos sin costura (laminado en caliente) Formas estructurales (caliente) Tocho Railes (caliente) Cuadrado > 150 mm (BLOOM) 21 3. LAMINACIÓN Fundamentos Una plancha de espesor ho se reduce a hf tras ser comprimida y arrastrada por dos rodillos que giran a Vr. La velocidad de alimentación Vo es menor que la final Vf. En espacio de laminación L, hay un deslizamiento relativo rodillo-chapa (punto no deslizamiento, Vr=Vchapa). A la izquierda, Vr>Vo  fricción empuja chapa A la derecha, Vr10 mm - perfiles con espesor ≈ 3 mm - tubos  Trefilado: - diámetros pequeños: redondos de  ≈ 5-8 mm (fermachine) b) Objeto y características de la operación:  Estirado: - Endurecer, dar una forma determinada  Trefilado: - Adelgazar el material c) Realización:  Estirado: - Una sola pasada (40% reducción máxima)  Trefilado: - Varias pasadas (hasta diámetro de 0,03 mm) 35 4. ESTIRADO Proceso: Antes de realizar el estirado o trefilado  Afilado  Reducción del diámetro del extremo inicial del material (estampado, laminado o torneado), para facilitar la introducción a través de la matriz Decapado  Eliminación de la capa de óxido superficial del material 36 4. ESTIRADO Segunda Fase Estirado  En cualquiera de los casos (perfiles, tubos, hilos) se hace pasar el material a través de una o varias matrices hasta conseguir la forma definitiva, por tracción en el extremo. Matriz de estirado  Troquel, Hileras o Dados de estirado Dirección estirado Regiones del troquel 1) Entrada (campana y ángulo de entrada)  Campana Abertura inicial. No entra en contacto con la Ángulo de entrada pieza  Embudo lubricante  Evita el rayado de la superficie de la pieza. Ángulo de aproximación 2) Ángulo de aproximación (6º a 20º)  Zona Superficie de deformación donde ocurre el estirado Ángulo de salida 3) Superficie de deformación o campo  Determina el tamaño final del material estirado 4) Relevo o ángulo de salida (30º)  Facilita la salida del material. Carcasa de acero En operaciones de trefilado a alta Inserto de carburo velocidad se suelen utilizar de Tungsteno materiales de alta resistencia al desgaste en las zonas de contacto 37 4. ESTIRADO Necesario conocer cuál es la reducción máxima en cada pasada Al aumentar la reducción  Aumentan los esfuerzos a realizar (trabajo en frío y endurecimiento por deformación) Problema  Se puede superar el límite de rotura Reducción máxima posible (teórica) en un solo paso: r máx = 0,632 Tener en cuenta el rozamiento, endurecimiento por deformación  Reducciones inferiores a las teóricas: r máx = 0,5 (barras, estirado simple) r máx = 0,3 (estirado múltiple de alambre) 38 4. ESTIRADO Equipos de Estirado  Banco de estirado Estirado en frío de un canal extruido (tramos individuales de varilla recta o perfiles de diámetro pequeño) Estirado en frío de barras y perfiles de tamaño medio y grande 39 4. ESTIRADO Equipos de Trefilado Máquinas de tipo continuo Varias hileras separadas por tambores de acumulación intermedios Los tambores proveen la fuerza de estirado del alambre a través de las hileras Mantiene la tensión del alambre en el paso a la siguiente hilera Aumento de F y V y reducción del espesor a través de cada hilera A veces  Recocido entre pasada y pasada (tipo de material y reducción total a realizar) 40 4. ESTIRADO Equipos de Estirado de Tubos El proceso de estirado se puede utilizar para reducir el diámetro o el espesor de la pared de tubos sin costuras Se puede llevar a cabo con o sin mandril Si no se utiliza mandril no se controla el diámetro interno y espesor del tubo El mandril puede ser fijo (limitación de la longitud), flotante (encuentra su posición natural en la zona de reducción) o móvil (versatilidad longitudes de tubo) 41 5. EXTRUSIÓN Proceso de conformado por deformación plástica en el que el material de trabajo es sometido a esfuerzos de compresión de forma que es obligado a fluir a través de la abertura de un matriz, con objeto de modificar su sección transversal Se pueden extrudir una gran variedad de formas, especialmente en caliente debido a los menores esfuerzos necesarios, pero se debe mantener esta sección a lo largo de toda la pieza. El trabajo en frío permite mejores acabados, tolerancias estrechas y aumento de la resistencia, a costa de un aumento de la fuerza a ejercer. Se genera poco o ningún material de desperdicio Lubricación  crítica en el acero  Uso lubricantes (vidrio  además aísla) 42 5. EXTRUSIÓN Directa Movimiento relativo pistón-material Configuración física Presión y rozamiento Estabilidad del proceso Indirecta Acabado y tolerancias elevados Frío Altas velocidades Endurecimiento y resistencia Tª Trabajo Esfuerzos elevados Al, Cu y aceros con bajo contenido C Caliente Calentamiento previo > Tª recrist. Extrusión Reducción de esfuerzos Peores acabados y tolerancias Al. Mg, Zn, Sn y aleaciones Enfriamiento contacto material con el Semicaliente cuerpo de la matriz de extrusión  Precalentar la matriz Estable en un período indefinido de Continuo tiempo Secciones muy largas Proceso Una sola pieza en cada ciclo ( por ej. Discreto extrusión por impacto) 43 5. EXTRUSIÓN Directa Se mueve el pistón y los otros elementos permanecen fijos. Todo el material fluye en igual dirección y sentido en que se mueve el émbolo. Al final del recorrido queda una pequeña parte de material que no se puede extrudir (zonas muertas) Gran fricción superficie de trabajo/material durante el desplazamiento  aumento de los esfuerzos necesarios Aplicable a secciones huecas o semihuecas, perforando el material y usando mandril Obtención de gran variedad de formas 44 5. EXTRUSIÓN Indirecta El material tiene impedido el movimiento en un extremo El pistón está perforado y se mueve, saliendo el material por la matriz en sentido contrario al movimiento del pistón. El material no se mueve respecto a las paredes  No habrá rozamiento  Presión necesaria es menor Limitaciones  Rigidez del pistón Se pueden obtener secciones huecas  Material fluye entre émbolo y matriz 45 5. EXTRUSIÓN Inicialmente aumenta la presión hasta llenar el cuerpo de extrusión Directa  Aumenta la presión hasta su valor máximo hasta que el material empieza a fluir  Vence el rozamiento  Empieza a decrecer la presión  Reducción del rozamiento por reducción de la L de palanquilla que queda en el cuerpo de extrusión Indirecta  La presión se mantiene constante durante todo el recorrido En ambos casos, aumento de la presión final al aproximarse L a cero  Desechar el despunte 46 5. EXTRUSIÓN Fluencia del material  Debido al rozamiento generado entre las paredes de la matriz y la pieza a deformar Estancamiento de material en el frente de deformación en zonas próximas a la salida (boquilla) Estas regiones en las que el material se encuentra en condiciones estáticas, reciben la denominación de zonas muertas 47 5. EXTRUSIÓN CONSIDERACIONES SOBRE EL DISEÑO 48 5. EXTRUSIÓN DEFECTOS EN PIEZAS EXTRUIDAS 49