Comportamiento Plástico de los Metales

Modelos simplificados:

• a) Metales recocidos del sistema cúbico (aceros, aluminio, etc.).
• b) Metales trabajados en frío con tensión inicial.
• c) Simplificación de b) para metales muy deformados inicialmente. No aplicable para recocido o para una ligera deformación inicial.
• d) Material plástico perfecto. Aproximación al proceso de deformación en caliente en torno a la temperatura de recristalización.

Procesos de Conformado

Conformado en Frío

Temperatura de trabajo < temperatura de recristalización.

1. Acritud: Aumento de la resistencia, dureza, límite elástico y fragilidad. Este efecto puede ser deseado o no.
2. Requiere la aplicación de esfuerzos mayores, y las deformaciones obtenibles son menores que en caliente.
3. En ocasiones, es necesario realizar conformados sucesivos con tratamientos térmicos intermedios para eliminar tensiones residuales y acritud.
4. Permite obtener mejores acabados superficiales y tolerancias más estrictas.

Ventajas del Conformado en Frío

• No se precisa aportar calor.
• Mejores acabados superficiales.
• Mejora la intercambiabilidad.
• Mejores características mecánicas.
• Menores problemas de contaminación.
• Anisotropía (propiedades direccionales).

Desventajas del Conformado en Frío

• Requiere fuerzas mayores (máquinas potentes).
• Superficie de la preforma limpia.
• Aumento de la resistencia por deformación.
• Tensiones residuales.

Conformado en Caliente

Temperatura de trabajo > temperatura de recristalización.

Pasos:

1. Limpieza.
2. Calentamiento de herramientas.
3. Calentamiento de pieza.
4. Conformado.
5. Enfriamiento.
6. Tratamientos térmicos.

Procesos Según las Fuerzas Aplicadas

• Procesos de compresión directa: La fuerza se aplica a la superficie de la pieza, y el metal fluye en ángulo recto con la dirección de compresión (ej. forja, laminación).
• Procesos de compresión indirecta: La fuerza se produce por reacción entre la pieza y el utillaje (ej. extrusión, embutición).
• Procesos de tracción: El material es obligado a atravesar una matriz (ej. estirado y trefilado).
• Procesos de plegado o flexión: Se aplican momentos de flexión a la chapa (ej. doblado).
• Procesos de cizallamiento: Implica fuerzas cizallantes (ej. corte).

Forja

La forja es un proceso de conformación plástica en el que el material se somete a grandes presiones:

• Que actúan de forma continua (prensas).
• Que actúan de modo intermitente (martillos).

Las piezas pueden resultar acabadas o ser preformas para otras operaciones. La forja se realiza generalmente en caliente. En frío, se utiliza para conseguir aumentos apreciables de dureza y resistencia.

La acción compuesta de la energía calorífica y mecánica permite:

• Reducciones de sección considerables.
• Modificar la macroestructura (efecto fibra).

La forja en frío se aplica a metales que:

• No conviene calentar, ya sea por coste o porque no es deseable.
• Son piezas pequeñas que se enfrían rápidamente.

Forja con Estampa

Las matrices controlan el flujo plástico del metal, logrando una conformación total. A veces es necesario emplear expulsores:

• Estampa semicerrada: Se forma rebaba.
• Estampa cerrada: No se produce rebaba.

Se suele realizar por etapas con forjas intermedias.

Aplicación de la Forja con Estampa

• Se pueden forjar piezas muy diversas en forma y tamaño.
• Se produce una estructura fibrosa favorable.

Características de los Productos Forjados con Estampa

• Tolerancias aceptables.
• Calidad superficial buena, que puede mejorarse con un proceso adicional.

Forja por Recalcado

No tiene rebaba. Se aplica a cabezas de pernos y tornillos.

Recalcado en Frío

El metal es comprimido dentro de la matriz que le confiere la forma deseada.

Aplicación:

• Alto aprovechamiento del material.
• Producciones masivas.

Características:

• Excelentes propiedades mecánicas.
• Buen acabado superficial.

Defectos Comunes en la Forja

1. Grietas y plegado: En zonas excesivamente trabajadas, en materiales frágiles en caliente o a baja temperatura.
2. Tensiones residuales: Se eliminan con un recocido.
3. Falta de penetración: Cuando la deformación solo afecta a las capas superficiales.
4. Pandeo.
5. Abarrilamiento: Se forman grietas por rozamiento.

Tipos de Prensas

• Controladas por energía o trabajo: Martinetes y prensas de tornillo.
• Controladas por longitud del golpe: Prensas excéntricas.
• Controladas por fuerza: Prensas hidráulicas.

Prensa Hidráulica

• Limitada por la carga.
• Velocidad constante.
• La pieza puede enfriarse debido a la lentitud del proceso.
• Coste inicial alto, pero mantenimiento escaso.

Prensas Mecánicas

1. Excéntricas.
2. Prensas de husillo y fricción: El esfuerzo deformador se obtiene de la energía cinética acumulada por el giro de un volante que la transmite a la maza a través de un husillo.

Martinetes

Martinetes Mecánicos

• De tabla:
  1. Palanca de mando.
  2. Yunque.
  3. Martillo.
  4. Maza.
  5. Guías.
  6. Tope de fin de carrera.
  7. Tabla.
  8. Rodillo móvil.
  9. Rodillo motor.
• De correa:
  1. Palanca de mando.
  2. Yunque.
  3. Martillo.
  4. Maza.
  5. Guías.
  6. Correa.
  7. Rodillo enrollador.
  8. Rodillo de marcha.
  9. Tambor.
  10. Freno.
• De ballesta: El resorte acumula energía durante la subida de la maza, la cual devuelve durante el descenso, sumándose a la energía de la maza.

Martinetes Neumáticos

• Autocompresores.
• Con compresores independientes (la maza cae por su peso o por peso + aire).

Fallos en el Diseño de Estampas

1. El material fluye en la dirección de menor resistencia; la preforma debe llenar bien las cavidades de la matriz.
2. El material no debe fluir con facilidad hacia la rebaba.
3. Es necesario minimizar el deslizamiento entre las superficies de contacto entre la pieza y la matriz para reducir el desgaste.
4. Línea de separación: Su mala elección afecta al flujo, la carga y la formación de rebaba.
5. Ángulo de salida: Es importante para poder retirar la pieza de la estampa (3º para aluminio y de 5º a 7º para acero).
6. Membranas y costillas: Pueden generar dificultades de flujo.
7. Filetes y radios: Si son pequeños, limitan el flujo.
8. Rebaba: Su diseño provoca una acumulación de presión dentro de la estampa que facilita el llenado. La presión se controla con el diseño del campo y el canal, lo que permite que escape el exceso de material y evita que la carga de forjado se eleve a valores extremos.

Materiales y Lubricación de las Estampas

Normalmente, las operaciones de forjado se realizan a alta temperatura. Los requerimientos para el material de las estampas son:

• a) Resistencia y tenacidad a alta temperatura.
• b) Capacidad de endurecimiento uniforme.
• c) Resistencia al choque térmico y mecánico.
• d) Resistencia al desgaste.

Se emplean aceros de herramientas con Cr, Ni, Mo y V. Se forjan bloques que se mecanizan a su forma final y se aplican tratamientos térmicos.

Lubricación

La lubricación influye en la fricción y el desgaste, y por tanto en la fuerza requerida y el flujo del material. Puede actuar como barrera térmica, disminuyendo la velocidad de enfriamiento, y como agente de desprendimiento, facilitando el desalojo de la pieza.

• Forja en caliente: S₂, Mo, grafito, vidrio (en estado viscoso).
• Forja en frío: Aceite mineral, jabones.

Embutición y sus Defectos

Defectos en Embutición

1. a) Arrugado (flor): Pisador mal ajustado.
2. b) Arrugado en la pared (tubo ancho): Al embutir la pieza defectuosa (a).
3. c) Desgarros (medio tubo): Esfuerzos de tracción excesivos, punzón poco redondeado.
4. d) Irregularidades en el borde superior (tubo curvas): Por anisotropía del material.
5. e) Rayas superficiales (tubo fino): Por falta de calidad superficial en punzón y matriz, o lubricación insuficiente.

Conformado Incremental (ISF)

Características del Proceso ISF

Deformación incremental local de la chapa con una herramienta de punta esférica, cuya trayectoria se controla por Control Numérico (C.N.).

Ventajas del ISF

1. Obtención de geometrías complejas sin la necesidad de utilizar moldes con la geometría de la pieza final.
2. Orientado principalmente a la fabricación de prototipos, series cortas o unitarias y piezas personalizadas.
3. Conformado flexible.
4. Reducción de costes.

Inconvenientes del ISF

1. Proceso más lento que el conformado tradicional.
2. Tolerancias geométricas más limitadas.
3. Limitaciones en los espesores del material.

Aplicaciones del ISF

1. Sector aeronáutico (pequeñas tiradas, nuevos materiales).
2. Sector automoción (piezas específicas en materiales no metálicos).
3. Sector de prototipado rápido (aplicación a plásticos, etc.).

Doblado, Estampado y Corte

Procesos de Doblado

• Doblado en V: Se deforma el metal alrededor de un eje recto.
• Doblado en U: Se aplica una fuerza inicial para que el metal se adapte al chaflán, y luego otra mayor para realizar el doblez y vencer la recuperación elástica.
• Acción lateral: Para piezas pequeñas en forma de L o U.
• Curvado: En la fabricación de tubos.
• Arrollado: Una matriz curva que va avanzando.
• Bordonado: Se arrolla el borde para aumentar la resistencia mecánica.
• Engrapado: Se unen dos piezas para obtener un cierre hermético (estanqueidad en recipientes).

Acuñado

Forjado sin rebaba donde se imprimen los finos detalles de los punzones en la superficie superior e inferior de la pieza. Hay poco flujo de metal y las presiones requeridas son altas. El proceso se aplica en la acuñación de monedas.

Estampado

Formación de costillas de refuerzo, impresión de letras, etc. El punzón contiene los contornos positivos y la matriz los negativos.

Corte y Punzonado

• Corte: Separa una pieza de la chapa (lo útil es el interior).
• Punzonado: Se practica en la chapa (lo útil es el exterior).

Formas de Distribución en el Corte de Chapa

Distribución Normal

Se posiciona la pieza para ser cortada una a continuación de la otra. El corte se realiza con un punzón. Se emplea cuando la pieza se puede inscribir en un paralelogramo.

Distribución Girada

Se gira la pieza de forma que la línea definida por los vértices de ambos ángulos (ej. 4, 47) se coloque paralela al borde de la banda. Se utiliza cuando la pieza puede inscribirse en un triángulo.

Distribución en Hilera

Colocada en una hilera, tiene menos aprovechamiento que si se utilizan dos o más, pero presenta la ventaja de requerir un solo punzón. Colocada en dos hileras, los centros son vértices de triángulos equiláteros. Se emplea cuando se trata de piezas circulares o inscritas en una circunferencia.

Distribución Invertida

Reduce el desperdicio de material. Se precisan dos punzones o bien pasar dos veces la banda por el troquel (el material se debilita y puede haber atascos).

Economía de los Procesos de Conformación de Chapa

1. En comparación con la forja y el moldeo, la pieza estampada tiene un peso menor y buenas características mecánicas.
2. El espesor de la pieza puede ser muy pequeño, lo que ofrece gran flexibilidad de diseño.
3. La precisión dimensional y el acabado superficial son buenos, por lo que generalmente no se precisan operaciones de acabado, reduciendo el coste del proceso.
4. El tiempo necesario para iniciar la producción (tiempo de inicio) puede ser largo si es necesario fabricar previamente los troqueles.
5. El coste de mano de obra es bajo, y el nivel de automatización puede ser elevado.
6. El coste de herramientas y utillaje es alto, por lo que se requieren tasas de producción (cantidad de piezas producidas por unidad de tiempo) elevadas.

Prensas y Utillajes

• Hidráulica: Avance y retroceso mediante un cilindro hidráulico.
• Manual: Se hace girar una rueda dentada que arrastra una cremallera.
• Excéntrica: El movimiento circular del motor se transforma en rectilíneo con un mecanismo de biela-manivela excéntrico.
• Fricción: Dos discos perpendiculares al tornillo unidos por un eje. Según el disco que entre en contacto con el volante calado en el eje del tornillo, la prensa baja o sube.

Conformado de Alta Velocidad

Conformado por Explosión

La chapa se fija y sella en la matriz practicando el vacío. El equipo se introduce en un recipiente con agua, y se coloca una carga explosiva en el agua a cierta distancia de la chapa. La detonación de la carga produce una onda de choque cuya energía se transmite a través del agua, causando la deformación de la chapa.

Conformado Electrohidráulico

La onda de choque para deformar la chapa sobre la matriz se genera por una descarga entre dos electrodos sumergidos en agua. La energía se acumula en grandes condensadores que luego se transmite a los electrodos. La cantidad de energía es inferior a la empleada en el conformado por explosión, lo que limita el conformado electrohidráulico a piezas de menor tamaño.

Conformado Electromagnético

La preforma se deforma por la fuerza mecánica de un campo electromagnético inducido por una bobina. La bobina está alimentada por un condensador y genera un campo magnético que origina corrientes parásitas de Foucault en la preforma con su propio campo magnético. El campo inducido se opone al campo primario, produciendo una fuerza mecánica que deforma la preforma hacia la matriz que la rodea. Es el proceso de alta energía que más se emplea, usándose para conformar piezas tubulares.

Hidroconformado

Ventajas del Hidroconformado

1. Mejora en la resistencia y rigidez de las piezas.
2. Reducción del peso.
3. Reducción del coste de herramientas.
4. Menos operaciones de ensamblaje.
5. Alto nivel de reproducción.
6. Simplificación de utillajes frente a métodos convencionales.
7. Reducción de fuerzas de fricción.
8. Baja recuperación elástica.
9. Ajustadas tolerancias dimensionales.

Inconvenientes del Hidroconformado

1. Tiempos de ciclos más lentos.
2. Equipamiento caro.

Aplicaciones del Hidroconformado

1. Automoción (elementos estructurales, piezas de embutición profunda).
2. Aeronáutica.
3. Fontanería.

Hidroconformado de Chapa (SHF)

Descripción del SHF

Utilización de un fluido a presión para obligar a la chapa a tomar la forma de un punzón o una matriz. El fluido presurizado suele ser una emulsión de agua y aceite.

Ventajas del SHF

• Reducción de esfuerzos sobre la herramienta, pudiéndose fabricar en materiales más baratos.
• Se pueden reducir las uniones soldadas, lo que mejora la resistencia a la fatiga.
• Reducción de peso mediante la disminución de las bridas soldadas.
• Reducción de los costes de utillaje.
• Mejora del rendimiento mediante la reducción de los márgenes de recorte.

Aplicaciones del SHF

• Estructuras y paneles de coches y trenes.
• Industria aeroespacial.

Inconvenientes del SHF

• Condiciones del proceso complicadas (muchos parámetros interrelacionados de forma compleja).
• Maquinaria grande y costosa.
• Alto tiempo de ciclo, lo que resulta en baja productividad.

Hidroconformado de Tubos (THF)

Descripción del THF

Conformado de un tubo contra las paredes de una matriz mediante el control independiente de:

1. Presión interna de un fluido en una preforma tubular (recta o curvada).
2. Compresión axial simultánea para evitar un excesivo adelgazamiento del espesor del tubo en las zonas sometidas a una fuerte expansión.
3. Contrapresión.

Se permiten diferentes cambios de sección a lo largo de la longitud del tubo, obteniéndose formas suaves y más rígidas.

Materiales para THF

Es importante la calidad del material de partida dada la complejidad tensional de la operación.