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• Alvaro Jose Valencia Ramirez

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PROCESOS DE MANUFACTURA John J. Coronado Escuela de Ingeniería Mecánica Grupo de Investigación en Fatiga y Superficies (GIFS) Universidad del Valle

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Fundamentos del formado de metales (procesos de deformación) «En el formado de metales se usa deformación plástica para cambiar la forma de las piezas metálicas» • Se usa un troquel como herramienta para formar los metales, donde los esfuerzos aplicados exceden la resistencia a la fluencia del material, de tal forma que los metales fluyan plásticamente y tomen la forma deseada. • Propiedades para el formado: baja resistencia a la fluencia y alta ductilidad. • Estos procesos producen poco o ningún desperdicio como subproducto de la operación.

Clasificación de las operaciones de formado de metales

Procesos de deformación volumétrica

Trabajo de láminas metálicas

Comportamiento del metal en el proceso de formado

Tipos de relaciones esfuerzodeformación

Perfectamente elástico

Elástico y perfectamente plástico

Elástico y endurecimiento por deformación

Temperatura en el formado de metales

Recristalización Ocurre debido a la nucleación y crecimiento de nuevos granos que contienen pocas dislocaciones. Cuando se calienta el metal por encima de la temperatura de recristalización, una rápida recuperación elimina los esfuerzos residuales produciendo una estructura de dislocación poligonizada → granos pequeños .

Trabajo en frío VENTAJAS • Mayor precisión → tolerancias más estrechas. • Mejor acabado superficial. • Mayor resistencia y dureza de la pieza → endurecimiento por deformación. • Propiedades direccionales → flujo de los granos. • Menores costos de producción → no se requiere calentamiento del trabajo (horno y combustible).

Trabajo en frío DESVENTAJAS

• Se requiere mayor potencia y fuerzas para las operaciones. • Se debe tener cuidado → superficies de trabajo inicial libres de incrustaciones y suciedad. • La ductilidad y el endurecimiento por deformación del metal limitan la cantidad de formado en la pieza → recocido para formados posteriores.

Trabajo en caliente por debajo de la temperatura de recristalización (0.3Tf) (Tibio) VENTAJAS • Fuerzas más bajas y menores requerimientos de potencia. • Trabajos más intrincados. • Se elimina o reduce la necesidad de recocido.

Trabajo en caliente por encima de la temperatura de recristalización (↑0.5Tf) VENTAJAS • La forma de la pieza se altera de manera más significativa → grandes deformaciones plásticas. • Menor fuerza y potencia para deformar el metal. • Los metales que se fracturan en frio pueden formarse en caliente (Ej. Mg). • Propiedades de resistencia son isotrópicas → ausencia de estructura de granos orientada. • El trabajo en caliente no produce endurecimiento de la pieza.

Trabajo en caliente por encima de la temperatura de recristalización (↑0.5Tf) DESVENTAJAS • Precisión dimensional más baja. • Mayores requerimientos de energía → energía térmica para calentar la pieza. • Oxidación de la superficie de trabajo (incrustaciones). • Acabado superficial más deficiente. • Menor duración de la vida de las herramientas.

Fricción y lubricación Fricción: contacto estrecho entre la hta y el material de trabajo → presiones y temperaturas↑. PROBLEMAS: • Retarda el flujo de metal → esfuerzos residuales. • Se incrementan las fuerzas y la potencia. • Desgaste hta → pérdida de precisión dimensional (piezas defectuosas y reemplazo de la herramienta).

Fricción en sistemas mecánicos (trenes de engranajes, ejes, cojinetes): Bajas presiones de contacto, temperaturas bajas y moderadas y lubricación amplia. Fricción en formado de metales • Presiones altas entre las superficie dura de la hta y la pieza de trabajo blanda. • Deformación plástica mat. trabajo y altas temp.

• Coeficiente de fricción ↑↑: adherencia es la tendencia de las superficies en movimiento relativo a pegarse una con otra en lugar de deslizarse. • Lubricantes: se aplican en la interfaz herramienta-trabajo → reducción adherencia, en las fuerzas, en la potencia y en el desgaste de la herramienta, además de un mejor acabado superficial. Además reducen el calor de la hta. • Trabajo en frio: aceites minerales, grasas, emulsiones en agua. • Trabajo en caliente: aceites minerales, grafito (forjado) y vidrio fundido (extrusión).

LAMINADO Proceso de deformación donde el espesor del material de trabajo se reduce mediante fuerzas de compresión ejercidas por dos rodillos opuestos. Los rodillos giran para halar el material de trabajo y simultáneamente apretarlo entre ellos.

En el laminado plano o simple los productos laminados son la placa y la hoja.

Placas vs. Hojas • Placas: espesor > 6mm (1/4 pulg) → aplicaciones estructurales: estructura maquinaria, cascos de buques y tanques de guerra (100-125 mm), puentes, recipientes nucleares (150 mm), apoyos de calderas (300 mm). • Hojas (láminas): espesor < 6mm (1/4 pulg) → se fabrican para manufacturar materias primas intermedias como piezas planas o como cinta en rollos para procesamiento posterior en varios productos → aplicaciones: carrocerías de automóvil, fuselaje de avión (aleación de Al > 1 mm, Boeing 747 tiene 1,8 mm), enseres domésticos, recipientes para alimentos y bebidas (Latas de refrescos Al → 0,1 mm), envoltura dulces y cigarrillos (papel aluminio 0,008 mm).

Procesos de laminado en caliente

Proceso colada continua presenta mayor eficiencia y costo inferior que la producción de lingotes tradicionales

Se coloca en un horno hasta alcanzar la temperatura uniforme, para que pueda fluir consistentemente durante el laminado

La operación de calentamiento se llama recalentado y los hornos fosas de calentamiento Para el acero, la temp. laminación es aprox. 1200°C.

Productos hechos en molino de laminación (laminado plano y de perfiles) L I N G O T E

Lupia

Plancha

Tocho/ Palanquilla

Procesos de laminado Materia prima (lupias, planchas y tochos) para maquinado, estirado alambre, forjado, etc.

El laminado posterior a las placas y láminas trabajadas en caliente se realiza frecuentemente por laminado en frio, para operaciones posteriores de trabajo de la lámina

Laminado frio → mayor resistencia material, tolerancias más estrechas, superficie libre de incrustaciones o capas de óxido →

Nota Histórica: el laminado es un proceso que requiere una fuente muy grande de potencia. Hasta el siglo XVIII se usaron las ruedas accionadas por agua para mover los molinos de laminación. Las máquinas de vapor incrementaron la capacidad de los molinos, hasta poco después de 1900, cuando los motores eléctricos reemplazaron los de vapor. M. Groover

Cilindros de laminación Diámetro entre 0.6 y 1.4 m

La configuración puede ser reversible o no reversible. En los molinos no reversibles los rodillos siempre giran en la misma dirección y el trabajo pasa por el mismo lado. El molino reversible permite la rotación de los rodillos en ambas direcciones, por tanto el trabajo puede pasar en cualquier dirección.

Tren semicontinuo (reversible) Un tren semicontinuo consta de unos hornos de recalentamiento de los desbastes, una potente caja reversible desbastadora (en ella el producto sufre una fuerte reducción de espesor entrando sucesivamente en ambos sentidos), un tren acabador continuo, constituido por, al menos, 4 cajas y finalmente las bobinadoras de chapa.

Furnace

Tren continuo Los trenes continuos, el desbaste se mueve exclusivamente en un único sentido, de tal manera que las diferentes pasadas de laminación se realizan en cada una de las cajas que constituye el tren (Figura), que consta normalmente de 4 o 5 cajas desbastadoras (R1,..., R5) seguidas de 6-7 cajas acabadoras (F1, ..., F7), todas ellas dispuestas en serie.

La primera caja se llama caja de desescamado o descascarillado, tiene la función de eliminar el óxido formado (calamina) durante el calentamiento de la palanquilla.

Molinos laminadores Los procesos de laminado involucran una alta inversión de capital, pues requieren piezas de equipo pesado, llamados molinos laminadores.

↓ Diámetro rodillos → ↓ long. Contacto entre rodillo-trabajo → ↓ potencia

Laminado plano y de perfiles

Laminado de perfiles (forma) El material se deforma para generar un contorno de la sección transversal. Ej. perfiles construcción como vigas en I, en L y canales en U, rieles para vía del ferrocarril, barras redondas, cuadradas y varillas. Los rodillos tienen impreso el reverso de la forma deseada.

Proceso de Manufactura • Fundición centrífuga • Fundición estática (monobloque) • Forjado

Proceso de Manufactura • Fundición centrifuga Núcleo con alta resistencia mecánica y una capa de material más duro, resistente al desgaste que proporciona una alta producción, buen acabado superficial del producto laminado y alta precisión dimensional. La capa de trabajo exterior es mucho más compacta y posee mayor porcentaje de aleación. El material del núcleo consiste generalmente de hierro fundido nodular de alta resistencia mecánica.

Proceso de Manufactura • Fundición estática (convencional) Usa la misma composición química en todo el cilindro, por tanto la resistencia del núcleo y los cuellos resultan usualmente comprometidos (altas cargas de flexión). La mayoría de los cilindros de fundición estática se realizan en el H.F. nodular o en calidades de acero. Son requeridos para altas reducciones como: cilindros de desbaste, cilindros de apoyo y cilindros con canales profundos. Moldes metálicos son usados para fundir la superficie del cilindro (solidificación rápida). Los cuellos son fundidos en moldes de arena (solidificación lenta), resultando cuellos blandos y evitando la formación de carburos.

Proceso de Manufactura • Forjado Los cilindros forjados se producen a partir de acero vacuo desgasificado o de alta pureza. El lingote colado se forja en con estampa abierta (3000 o 1000 ton). Las piezas forjadas se recuecen inmediatamente para retirar las tensiones internas que ocurren durante el procesos de forjado.

Propiedades de los materiales usados en los cilindros de laminación ¿? • Resistencia a la fatiga térmica: resistencia a la tracción y compresión a alta temperatura, ↑conductividad térmica, ↑ coeficiente de expansión térmica y ↑ módulo de elasticidad. • Resistencia a la oxidación: elementos de aleación (Cr). • Alta tenacidad: tamaño y forma de los carburos (pequeños y esféricos). • Resistencia al desgaste: dureza en caliente y carburos formados.

Daño de los cilindros de laminación

Materiales de los cilindros de laminación ¿?