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Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Mecánica

APUNTE TEXTO ASIGNATURA

PROCESOS DE CONFORMADO SIN ARRANQUE DE VIRUTA

TIPO: PERIODO: PRELACION: HORAS TEORICAS: HORAS PRACTICAS: HORAS DE LABORATORIO UNIDADES CREDITO

Obligatoria Octavo Procesos de Conformado Con Arranque de Viruta 4 Horas Teóricas Totales: 64 1 Horas Prácticas Totales: 16 0 Horas Prácticas Totales: 0 4

OBJETIVOS GENERALES: -

Conocer los diversos procesos de conformación de metales sin arranque de viruta y seleccionar el proceso de manufactura mas adecuado para la fabricación de piezas. Establecer un modelo de proceso de manufactura, el cual le permita al estudiante definir y comprender cualquier proceso sin arranque de viruta. Establecer procedimientos de cálculo de fuerzas y esfuerzos, en el proceso para definir el tamaño de equipos y accesorios a ser diseñados o seleccionados para la producción en serie.

Prof. Victor Guédez. Prof. Mariano Peña.

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Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Mecánica Co cátedra de Procesos de Manufactura

TEMA N° 1 Principios de los trabajos Mecánicos. Fundamentos Generales de Conformado Sin Arranque de Viruta. Procedimiento de Conformado de Metales. Ejemplo de Algunos Procesos. Materiales Diversos Utilizados en el Conformado. Clasificación para el Colado y Acabado del Lingote de Acero. Morfología de los Procesos de Manufactura. Modelo General de Procesos. Posibilidades Geométricas Aplicables a Procesos. Materiales Sólidos. Procesos de Conservación de Masa. Procesos Primarios y Secundarios. Procesos en Caliente y Frío. 1.1 Fundamentos Generales de conformado sin Arranque de Viruta. Requiere un número considerable de diferentes procesos. Requiere métodos que pueden ser diferentes para el logro de un mismo propósito. Es vital establecer una secuencia técnica y económica de manufactura. Es necesario tener un conocimiento amplio sobre: materiales y sus propiedades, geometrías, tolerancias y acabados superficiales. Conocer los distintos procesos de manufactura y sus limitaciones. ¿Qué es el conformado? Básicamente es ajustar o concordar una cosa con otra. ¿Qué es manufactura? Esto refleja su significado original (hacer objetos con las manos). Cuando se involucra la palabra procesos de manufactura; entonces, significa hacer artículos y objetos por procesos industriales. ¿Qué es un proceso? Se puede definir como el cambio de las propiedades de un objeto incluyendo la geometría, dureza o estado físico

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1.2 Procedimiento de Conformado de Metales.

(1) Estudio y planeación de mercado

(2) Desarrollo y diseño del producto

3) Estimación de costo

Dinero adelante

(4) Planeación de procesos, diseño y suministro de maquinas y herramientas

(6) Contratació ny adiestramie nto de personal

(5) Establecimiento de las especificaciones de calidad.

(7) Calendario y control de Producción

(8) Planeación de rutinas y operación

Trabajadores

Maquinas y Herramientas

(9) Instalación y mantenimien to de las instalaciones.

Materiales

(11) Producto (Procesos)

(12) Inspección

PRODUCTO

Figura 1.1. Procedimiento para un proceso de conformado de metales.

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(10) Planeación y realización de compras.

A continuación ejemplos de algunos de los procesos de conformado sin arranque de viruta:

Figura 1.2. Corte

Figura 1.3. Doblado

Figura 1.3.Curvado

Figura 1.4. Arrollado

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Figura 1.5. Bordonado

Figura 1.6. Cercado

2° Fase 1° Fase

Figura 1.7. Perfilado Figura 1.8. Engrapado

Figura 1.9. Embutido

Figura1.10. Forjado

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¿Qué es el estampado o troquelado? Es aquel conjunto de operaciones con la cuales, sin producir viruta, se somete una chapa plana a una o más transformaciones, con el fin de obtener una pieza que posea forma geométrica propia, sea ésta plana o hueca. En otros términos la placa es sometida a una elaboración plástica.

¿Cuál es el elemento clave para el estampado o troquelado? El elemento clave es el material, y los elementos principales que deben aportar éstos para lograr un balance adecuado de fuerzas – producto – calidad son: Resistencia Ductilidad Dureza Resiliencia Resistencia a la fatiga Estabilidad dimensional Resistencia al desgaste Apariencia Economía

1.3. Modelo General de Procesos MGP. ¿Qué es un modelo de procesos MGP? De acuerdo a Leo Alting (1996), el modelo general de procesos puede ser descrito mediante el correspondiente sistema de flujo de información, que es requerido para que la operación de estampado pueda realizarse adecuadamente, en este caso se basa en el Flujo de Material, Flujo de Energía y Flujo de Información.

Material (s) (El material es Producto + desperdicio)

Material (e) Energía (e) PROCESO

Energía (s) Información (s)

Información (e)

Figura 1.11. Modelo general de los procesos. Aquí e indica entrada y s salida

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1.4. Tipos de flujo de material. Existen tres tipos principales de flujo de material como son: Flujo Directo de Material: Este corresponde a procesos de conservación de masa Me ≈ Ms La masa inicial del material de trabajo, es igual o casi igual a la masa final del material trabajado, lo cual significa que le material se manipula para cambiar su forma. Flujo Divergente de Material: Correspondiente a procesos de reducción de masa Me < Ms La geometría del componente final está circunscrita a la geometría inicial del material, lo cual significa que se opera un cambio de forma a través de la remoción de material. Flujo Convergente de Material: Correspondiente a procesos de ensamble o de unión de masa Me > Ms La geometría final se obtiene ensamblado o uniendo componentes, de manera que la masa de la geometría final sea aproximadamente igual a la suma de la masa de los componentes.

Me

Proceso

Ms (≈ Me )

(a)

Me

Ms1 Proceso (b)

Me1 + Me2

Proceso (c)

Ms2

(desperdicio)

(Me ≈ Ms1 + Ms2)

Ms (Ms ≈ Me1 + Me2)

Fig. 1.13. Los tres tipos principales de flujo de materiales: (a) procesos de conservación de masa (dM = 0); (b) procesos de reducción de masa (dM< 0) y c) procesos de ensamble o de incremento de masa (dM > 0). Aquí M significa masa del material, e entrada y s salida. Los números 1 y 2 se refieren a las cantidades elementos materiales. 8

1.5. Tipos de flujo de energía. Está asociado como tal a la utilización de la energía y ésta puede ser: suministro de energía, transmisión de energía o pérdida o remoción de energía. Flujo de energía Herramienta/Troquel Suministro de energía Medio de transferencia Características energéticas Tipo de energía

1.6. Tipos de flujo de información. El flujo de información incluye lo que pudiera denominarse información de forma y propiedades. La geometría en particular para un determinado material puede considerarse como la información de forma de ese material, y esta información de forma se crea mediante la interacción de una herramienta/troquel, y un patrón de movimiento de material; es decir, se involucran efectivamente los otros flujos de información en función de la forma geométrica. De igual manera, el flujo de información sobre las propiedades que debe tener un material como son: dureza o resistencia, requiere de una suma de propiedades iníciales, que generen los cambios producidos por los distintos tipos de operaciones o procesos. La interacción adecuada entre los tres sistemas fundamentales de flujo que producen el componente deseado, siempre estará gobernado por la información de control que incluye el conocimiento de las fuerzas, potencia, rozamiento, lubricación, características de corte, etc. Esta información de control que puede ser analítica como empírica, es el factor determinante de la calidad.

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1.7. Modelo General de Procesos. Flujo de energía Entrada de energía

Flujo de material

Material (Me)

Material (Ms) Proceso de material

Información de forma (Se)

Flujo de Información de forma

Información de forma (Ss)

Salida de energía (pérdida)

Figura 1.14. Modelo de un proceso de material.

¿Qué se entiende como proceso básico? Los Procesos Básicos se definen como procesos que crean cambios en la geometría y/o en las propiedades de los materiales. Los procesos básicos se caracterizan por la naturaleza de su interacción con el material, en cual es sus diferentes estados, puede ser procesado como: sólido, líquido, granular y gaseoso (el estado granular puede ser considerado como una subdivisión del estado sólido, ya que los materiales sólidos se dividen en materiales coherentes y no coherentes o en materiales homogéneos o heterogéneos), todo proceso de manufactura puede ser considerado como un aserie de procesos básicos y a su vez este procesos básico puede dividirse en tres fases típicas: Fase 1: Proceso básico de preparación. Fase 2: Proceso básico de formación. Fase 3: Proceso básico de post-tratamiento.

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Fase 1: Proceso básico de preparación. Calentamiento, fusión, aserrado, recorte, etc., los cuales son procesos que confieren al material un estado adecuado para efectuar el cambio primario de geometría y/o propiedades, en algunos casos requiere de equipamiento y/o accesorios

Fase 2: Proceso básico de formación. Es el proceso por medio del cual se realiza el cambio de la geometría y/o los cambios de propiedad deseados, necesariamente requiere equipamiento. Fase 3: Proceso básico de post-tratamiento. En estos casos se requieren de procesos básicos como (enfriamiento, solidificación, eliminación de rebabas, etc.), que confieren a la pieza el estado final especificado, en algunos casos requiere de equipamientos y/o accesorios.

Fase 1 Proceso Básico Preparación (procesos Básicos secundarios, preprocesados)

Fase 2

Fase 3

Proceso Básico

Proceso Básico

Formación (procesos básicos primarios, cambio de propiedades)

Postratamiento (procesos básicos, secundarios, postprocesos)

Figura 1.15. División de un proceso de manufactura en tres fases.

Mecánicos Deformación elástica. Deformación plástica. Fractura frágil. Fractura dúctil. Flujo. Mezcla. Separación. Colocación. Transporte.

Térmicos Calentamiento. Enfriamiento. Fusión. Solidificación. Evaporación. Condensación

Químicos Solución / disolución. Combustión. Endurecimiento. Precipitación. Transformación de fase. Difusión.

Figura 1.16. Las tres principales categorías de procesos básicos

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Categoría del proceso básico Mecánico

Térmico Químico

Procesos básicos Deformación plástica. Fractura (frágil y dúctil) Deformación elástica. Flujo (colocación, llenado, etc.) Fusión. Evaporación. Solución-disolución (electrolítica y química) Depositación (electrolítica y química) Combustión.

Figura 1.17. Procesos básicos primarios que cambian la geometría de los materiales.

Estado

Fase 1 E Proceso básico

Fase 2 E

Estado

Estado

Proceso básico

Fase 3 E Proceso básico

I (creación de superficie y patrón de movimiento)

Material (estado) Energía (E) Información (I) Material auxiliar

A la fase 1,2 o 3

Figura 1.18. Ilustración esquemática del sistema de flujo de material. Pueden dibujarse ilustraciones más detalladas dentro de los principales tipos de flujo.

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Fig. 1.19. Procesos de conservación de masa con el material de trabajo en estado sólido: a) forja; b) laminación, con el material de trabajo en estado granular; c) compactación de polvo, con el material de trabajo en estado fluido; d) fundición.

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Fig. 1.20. Proceso de reducción de masa con el material de trabajo en estado sólido: (a) torneado; (b) taladrado; (c) fresado; (d) maquinado por electroerosión (EDM); (e) maquinado electroquímico (ECM); (f) corte con soplete.

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Tipo de Flujo o Proceso Procesos de conservación de masa (dM = 0)

Procesos de reducción de masa (dM < 0)

Estado del material

Categoría del proceso básico

Proceso básico primario

Ejemplos de procesos

Sólido

Mecánico

Deformación plástica

Forja y laminación

Granular

Mecánico

Flujo y deformación plástica

Compactación de polvos

Líquido

Mecánico

Sólido

Mecánico

Fundición Flujo Fractura dúctil y frágil

Torneado, fresado y taladrado

Térmico

Fusión y evaporación

Maquinado por electroerosión (EDM) y corte

Químico

Disolución

Maquinado electroquímico (ECM)

Combustión

Corte

Procesos de unión Enlace atómico

Adhesión

Sólido

Mecánico

Deformación plástica

Soldadura por rozamiento

Líquido (en la vecindad de la unión)

Mecánico

Flujo

Soldadura por fusión

Sólido (material líquido de aporte)

Mecánico

Flujo Soldadura fuerte o dura

*Sólo se mencionan ejemplos típicos de procesos.

Figura 1.21. Clasificación de los procesos tecnológicos usados para dar forma a los materiales*

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Materiales utilizados para el conformado:

Tipo

C7-I UNI 3145

C7-II UNI 3145

C7-III UNI 3145

C7-IV UNI 3145

R Kg/mm3

30 ÷ 40

30 ÷ 38

29 ÷ 37

29 ÷ 35

Ensayo de tracción Alargamiento para espesores < 1 mm ≥ 1 mm A mínimo A mínimo % %

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28

30

24

29

30

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Ensayo de embutido Espesor de la IE probeta Mínimo mm mm (Ericksen)

Indicaciones generales de empleo

0,5 1 1,5 2

8,2 9,6 10,7 11,4

Para estampado medio

0,5 1 1,5 2

8,6 10,0 11,1 11,8

Para estampado profundo

0,5 1 1,5 2

9,0 10,3 11,4 12,2

Para estampado muy profundo

0,5 1 1,5 2

9,4 10,7 11,7 12,5

Para estampado muy profundo con dificultades

(Espesores de 0,3 a 4 mm)

Tabla 1.1. Chapa de Acero para el estampado en frío.

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ACABADO DE LAS SUPERFICIES Grado de acabado

Superficie de las probetas

Calidad del Acero

A

Superfície lisa, decapada o semipulida; aplanado esmerado; Admitidas ligeras imperfecciones.

C7-I UNI 3145 C7-II UNI 3145

B

Superficie muy lisa, brillante u opaca; aplanado esmerado: toleradas imperfecciones pequeñísimas. C7-III UNI 3145 C7-IV UNI 3145

C

Superficie muy lisa, brillante u opaca; prácticamente sin imperfecciones.

Tabla 1.2. Acabado de las superficies.

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Resistencia a la rotura σR en Kg/mm2 Material

Acero lamin. con 0,1 % de C . . Acero lamin. con 0,2 % de C . . Acero lamin. con 0,3 % de C . . Acero lamin. con 0,4 % de C . . Acero lamin. con 0,5 % de C . . Acero lamin. con 0,8 % de C . . Acero lamin. con 1,0 % de C . . Acero lamin. inoxidable . . . . . . . . . . ... Acero lamin. al silicio . . . . . . . . . . . . .. Aluminio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... Anticorodal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... Avional (duraluminio) . . . . . . . . . . . ... Aluminio lam. En aleac. (Siluminio) Alpaca laminada. . . . . . . . . . . . . . . . ... Bronce. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... Cinc. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... Cobre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... Estaño. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... Fibra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Latón. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... Oro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Plata laminada. . . . . . . . . . . . . . . . . . ... Plomo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

Resistencia a la cortadura σr en Kg/mm2

Peso específico Kg/dm3

Recocido

Crudo

Recocido

Crudo

31 40 44 56 70 90 100 65 56

40 50 60 70 90 110 130 75 70

25 32 35 45 56 72 80 52 45

32 40 48 56 72 90 105 60 56

7,8 ÷ 7,9

7,5 ÷ 9 11 ÷ 13 16 ÷ 20 12 ÷ 15 35 ÷ 45 40 ÷ 50 15 22 ÷ 27 4÷5 ___ 28 ÷ 37 ___ 29 2,5 ÷ 4

16 ÷ 18 32 ÷ 36 38 ÷ 45 25 56 ÷ 58 50 ÷ 75 25 31 ÷ 37 ____ ____ 44 ÷ 50 ____ 29 ____

6÷7 9 ÷ 10 13 ÷ 16 10 ÷ 12 28 ÷ 36 32 ÷ 40 12 18 ÷ 22 3÷4 17 22 ÷ 30 18 23,5 2÷3

13 ÷ 15 25 ÷ 29 30 ÷ 36 20 45 ÷ 46 40 ÷ 60 20 25 ÷ 30 ____ ____ 35 ÷ 40 30 23,5 ____

2,7 2,8 2,8 2,7 8,3 ÷ 8,45 8,4 ÷ 8,9 7,1 ÷ 7,2 8,9 ÷ 9 7,40 _____ 8,5 ÷ 8,6 19,30 ÷ 19,35 10,5 11,4

Tabla 1.3. Resistencia a la Rotura y Cortadura de los Materiales Laminados más corrientes.

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Aluminio. . . . . . . . . . . . . 94,7 » Cobre. . . . . . . . . . . . . . . 3,8 » Manganeso. . . . . . . . . . . . 0,50 » Magnesio. . . . . . . . . . . . . 0,55 » Silicio. . . . . . . . . . . . . . . ___ » Impurezas de hierro: menos del 0,5 »

Tabla 1.4. Composición química general de duraluminio (Avional).

Material

Espesores mm

0,5

Estado de Aluminio Fleje recocido pulido: Longitud 20 ÷ 30 m ; ancho 25 ÷ 300 mm

Acero 0,3 ÷ .0,45

Aluminio

Chapas 800 x 1600 mm

0,5 ÷ 5

Chapas 1.000 x 2.000 mm

0,5 ÷ 3

Chapas 1.000 x 2000 mm

< 0,5

Flejes

Cobre 0,5 ÷ 2,5

Chapas 600 x 1.200 mm Flejes

< 0,5 Latón Chapas 670 x 1.340 mm 0,5 ÷ 1,5 Plano recocido < 1,5 Tolerancia sobre el ancho de las chapas ± 6 mm " " la longitud de las chapas ± 15 mm

Tabla 1.5. Dimensiones comerciales de los Flejes y Chapas para el estampado e frío

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Material

Temperatura de recocido grados °C

Tiempo Del recocido en minutos

Observaciones

Chapa de acero a embutir (C 0,15 %): Recocido. . . . . . Normalizado. . . . .

650 ÷ 700 900 ÷ 930

4÷6 6÷8

Enfriamiento al aire. Enfriamiento rápido hasta 700° luego normal al aire. También enfriamiento sólo en el aire

Chapa de acero al 0,3 %C: Recocido. . . . . . Normalizado. . . .

680 ÷ 720 820 ÷ 850

4÷6 6÷8

Enfriamiento al aire. Enfriamiento rápido hasta 700° luego normal al aire. También enfriamiento sólo en el aire

Chapa de acero al níquel (0,4 % C 3 ÷ 4 % Ni): Recocido. . . . . . Normalizado. . . . .

650 ÷ 680 780 ÷ 800

4÷6 6 ÷ 12

Enfriamiento al aire o en agua. Enfriamiento natural al aire.

Chapa de acero inoxidable (8% Ni – 18% Cr). . .

750 ÷ 800

6÷8

Enfriamiento en agua

Aluminio. . . . . . . . .

330 ÷ 380

120 ÷ 180

450 ÷ 500

30 ÷ 60

Calentamiento en el horno y enfriamiento natural al aire. Calentamiento rápido en baño de sales y enfriamiento natural al aire.

350 ÷ 400

100 ÷ 200

370 ÷ 420

30 ÷ 60

430 ÷ 480

100 ÷ 200

450 ÷ 500

30 ÷ 60

Cobre. . . . . . . . . . .

500 ÷ 650

30 ÷ 60

Enfriamiento en agua

Bronce. . . . . . . . . . .

550 ÷ 600

30 ÷ 60

Enfriamiento en agua

Anticorodal – Avional – Duraluminio . . . . . .

Alumiana – Resistal. . . .

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Calentamiento en el horno y enfriamiento natural al aire. Calentamiento rápido en baño de sales y enfriamiento natural al aire. Calentamiento en el horno y enfriamiento natural al aire. Calentamiento rápido en baño de sales y enfriamiento natural al aire.

Latón

500 ÷ 680

30 ÷ 60

Enfriamiento en agua

Tabla 1.6. Datos para el recocido de Chapas a Embutir.

Chapas normales C7-I, C7-II, C7-III Espesor Tolerancias en S ± En mm Sobre el espesor Sobre el peso en mm % 0,10 0,15 ± 0,02 0,20 0,25 ±9 0,30 ± 0,03 0,35 0,40 ± 0,04 0,45 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,20 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70 1,80 1,90 2,00 2,25 2,50 2,75 3,00 3,50 3,90

Espesor S en mm 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00

± 0,05 ± 0,06 ± 0,07

±7

± 0,09 ± 0,11 ± 0,12 ± 0,13 ± 0,14 ± 0,15

±6

± 0,16 ± 0,17 ± 0,18 ± 0,19 ± 0,20 ± 0,22 ± 0,25

Chapas especiales Tolerancias en ± Sobre el espesor en mm

Sobre el peso %

± 0,01 ± 0,02

±9

± 0,03 ± 0,04 ± 0,05 ± 0,06

±7

± 0,07

1,20 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70 1,80 1,90

± 0,08 ± 0,09 ± 0,10 ± 0,11

2,00 2,25 2,50 2,75 3,00 3,50 3,90

± 0,15 ± 0,16

± 0,12

±6

± 0,13

± 0,17 ± 0,18 ± 0,20 ± 0,22

Tabla 1.7. Tolerancias sobre el Espesor y el Peso de la Chapa para el estampado en frío.

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