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GAPITULO 9

PROGESO

DE LOS METALES¡ TRABAJO EN FRÍO

En el pasado, el trabajo en frío se realizaba por martilleode los metales blandos como el oro, la plata y el cobre con fines de ornamentación. En la Edad Media se hacía alambre tirando de varillas de hierro para hacerlas pasar por agujeros progresivamente más pequeños practicados previamente en una plancha de acero. Tiempo después se descubrieron las propiedades mejoradas de los productos estirados en frío y así nació una nueva industria. Después de la conformación en caliente en los trenes de laminación para acero, los perfiles de este metal (como barras, láminas y tubos) se descamaban y se volvían a procesar con los sistemas de conformado en frío. Hoy día, los productos conformados en frío comprenden desde las finas agujas hipodérmicas hasta los tramos de enormes tuberías para conducción; desde los filamentos capilares hasta los grandes ejes para hélices de barcos. En la actualidad se puede fabricar casi cualquier forma concebible por medio de uno o más procesos de conformado en frío. Mayores relaciones resistencia-peso, mejores acabados y tolerancias dimensionales más estrechas son algunas de las ventajas que presenta un metal trabajado en frío con respecto a un metal trabajado en ca-

liente.

OBJETIVOS

Al finalizar

este capítulo, usted será capaz de:

1. Explicar los efectos del trabajo en frío sobre los

'

metales.

205

2. Describir como se prepara el acero laminado en caliente y la forma en que se termina en frío en los tre-

nes de aceración. 3. Enumerar las operaciones de conformación en

frío

y explicar

sus principios, ventajas y usos. 4. Justificar la diferencia entre las partes laminadas en frío y las partes maquinadas; además, seleccionar el proceso adecuado para elaborar un producto en par-

ticular. 5. Elegir de entre las diversas operaciones de confor-

mación en frío para fabricar un producto en particular.

FACTORES OUE INTERVIENEN EN LOS PPOGESOS DE TRABAJO EN FBÍO Una de las características más valiosas de los metales es la que se conoce como plasticidad, o sea, la capacidad de los metales para deformarse permanentemente en cualquier dirección sin agrietarse ni partirse. Las altas tem-

peraturas, como en el trabajo en caliente, tienden a incrementar la plasticidad de los metales, pero la recristalización que se suscite hace que éstos se suavicen, haciendo que su resistencia mecánica sea más baja. Al deformar el metal a temperaturas normales se obtienen resistencias y durezas más altas. La deformación plástica permanente sólo puede ocurrir bajo esfuerzos superiores al límite elástico o punto de cedencia (figura 1). Conforme progresa el trabajo en frío, se requiere más fuerza y la dureza del material aumenta hasta que se alcatl.za un cierto esfuerzo; en este punto el metal se rom-

206

PROCESO DE LOS METATES: TRABAJO EIU FBÍO

Acero de alto contenido de carbono o

.:co

1. Tolerancias dimensionales más cerradas. 2. Mejor acabado de superficies. 3. Mejor maquinabilidad. 4. Propiedades mecánicas superiores. 5. Anisotropía muy marcada.

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Algunas de las desventajas del trabajo en frío son: Hierro puro

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o) L

(o

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Límite elástico Punto de fluencia Resistencia máxima Punto de ruptura Deformación (deformación unitaria)

Figura 1. Arriba del esfuerzo de cedencia

cambian las

propiedades debidas al trabajo en frío y debilitan al metal.

pe. A esto se le llama punto de ruptura y a menudo es ligeramente menor que la resistencia máxima o última. Cuando los metales se trabajan en frío hasta un cierto punto, la siguiente operación requiere fuerzas mayores que las aplicadas previamente para deformar el metal a un mayor grado. Cada operación lleva al metal en particular a una condición más cercana a su resistenciá última y a su punto de ruptura. El objetivo en el trabajo en frío de los metales es, por tanto, detener el proceso cuando el material se encuentra todavía lejos de la falla. El grado de deformación (cantidad de trabajo en frío) determina el nivel de tenacidad, resistencia mecánica, dureza y ducülidad aún presente. Así se pueden obtener diferentes especificaciones para un producto manufacturado. En el caso de la lámina de acero, por ejemplo, es posible producirla con durezas que van desde una cuarta parte de la dureza del acero hasta la dureza de éste. El acero de un cuarto de dureza se puede doblar 180 grados sin romperse, en tanto que el acero de dureza media se puede doblar solamente 90 grados y el acero de dureza completa se puede doblar sólo 45 grados sobre un radio aproximado del espesor del material. si se necesita más deformación, se recune entonces a un proceso de recocido para restaurar la plasticidad, que al mismo tiempo reduce la resistencia mecánica del metal y disminuye el esfuerzo que se requiere para deformarlo más. El proceso de recocido que se hace al acero trabajado en frío se efectúa en ocasiones en una cámara de gas inerte para evitar problemas de oxidación. Cuando se hace esto se le llama recocido brillante. Véase el capítulo 4, Tratamiento térmico de los metales, para el análisis de los procesos de recocido. Algunas de las ventajas del trabajo en frío con respecto al trabajo en caliente son: l

na alabeo al maquinar.

4. Se requiere maquinaria más potente. 5. El calentamiento o soldadura posteriores

se requiere más es-

fuerzo al continuar el trabajo en frío. La d en al diagrama indica en donde ocurre la falla. (White, Neely, Kibbe, Meyer, Machine Tools and Machining Practices, Vol. II, @ 1927, John Wiley & Sons, Inc.).

E

1. El metal es menos dúctil. 2. A veces se requiere recocido. 3. Puede originar esfuerzos remanentes, lo cual ocasio-

Recuperación elástica Cuando un metal se somete a un esfuerzo dentro de su intervalo elástico se deforma, pero regresa a su forma anterior al liberar la carga. Si cargándolo más allá de su límite elástico y dentro de su intervalo plástico se hace que el metal se deforme o adopte una forma dada permanente se deformará permanentemente, pero retornará en cierto grado a su forma anterior debido a sus propiedades elásticas. Esta característica de los metales que se conoce como recuperación elástica (figura 2), es la que debe considerarse en el diseño de dados y dispositivos para conformación y doblado. Como consecuencia, las partes se doblan varios grados de más o se planchan o rebordean en exceso para compensar la recuperación elástica.

Ductilidad y maleabilidad La ductilidad es la propiedad de un metal de deformarse perrnanentemente o de mostrar plasticidad sin ruptura si

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LJ Dado (a)

(ó)

Figura 2. Operación de trabajo en frío en la que se muestra la recuperación elástica. Cuando se conforma la lámina metálica como en a) y se remueve del dado como en b), el material regresa parcialmente a su forma original.

LAMINADO EN CALIEIUTE EIU Et TREN DE ACERACÉN

2o7

Rodillos enderezadores

Figura 3. Rodillos enderezadores. Los rodillos doblan alternadamente al metal ligeramente más allá de su límite elástico en dos eje, de manera que al salir ya está derecho.

se somete a tracción. Todo metal que puede estirarse para hacer alambre es dúctil. La capicidad de un metal para deformarse permanentemente al someterse a compresión recibe el nombre de maleabilidad. Los metales que pueden llavarse a la forma de láminas o conformarse por forja en frío son maleables. La mayoría de los metales dúctiles son maleables, pero algunos metales muy maleables como el plomo, no son muy dúctiles y no se pueden estirar con facilidad a la forma de alambt". etgunos metales dúctiles son el acero, el aluminio, el otol lu plata y el níquel. Algunas aleaciones no ferrosas, como el latón y el Monel también son dúctiles, pero la mayoría de las aleaciones de acero son menos dúitiles qrr. ei u."ro al carbono simple. ohos metales y aleacionei, como el acero inoxidable, el acero con alto contenido de manganeso, el titanio, el circonio y el Inconel, tienden a,,endu_ recerse por trabajo" , es decir, a incrementar rápidamente su dureza al avanzar el proceso de trabajo en frío. La mayoría de los metales tienden a endurecerse por trabajo en cierto grado. Los aceros austeníticos inbxidables tienden a permanecer dúctiles hasta que alcanzan una dureza muy elevada. Ésta es .rnu piopiedad valiosa cuando se tiene como requisito.t.u -uybr dureza y tenacidad para un producto conformado en frío. El iecocido restaura la ductilidad y la suavidad de los metales que se endurecel por trabajo. El endurecimiento por trabajo es a menudo una dificultad que se afronta en las

LAMINADO EN GALIENTE EN Et TREN DE ACERACIóN El proceso de laminación en frío altera en forma permanente la estructura de los granos o cristales del metal, aplanándolos y alargándolos (figura 4). Después de recocido, el metal recristalizado puede vorveia trabajarse en frío, ya que la consistencia de los granos suaves permiten que tenga lugar más deformación. Los rollos o espiras de acero laminado en caliente y con.decapado químico pasan por una serie de cajas dL

laminación a alta velocidad; es bastante común una velocidad de L a 2 millas/minuto. La tira comienza con un es-

pesor poco menor d" * de pulgadu y longitud de al_ rededor d" * de milla. óos mir,utos más tarde se ha reya al-espesor de dos naipes y tiene más de 2 mi-ducido llas de longitud (figura 5). Despuésdel recocido, la tira pasa por una etapa de temple. Allí se le da el espesor deseado, se aplana, se le dala calidad de superficie y el temple o dureza deseada. En ocasiones ie embárca el rollo completo a los clientes, mientras que otras veces la tira enrollada se corta en tramos para émbarcarse como piezas planas.

operaciones de maquinado.

Preparación del acero laminado en caliente pare laminación en frío Las barras y planchas de acero laminado en caliente deben tener dimensiones,mayores que las requeridas porque el proceso de acabado en fiío redu.ó rn sección

transversal. En ocasiones estas piezas se enderezan haciéndolas pasar por un juego de rodillos (figura 3). La superficie debe estar limpia y libre de óxido.-Las barras y planchas laminadas en caliente se colocan en un baño de ácido clorhídrico o sulfúrico para eliminar el óxido; a esta operación se le llama ataque o decapado químico. Luego se lava el ácido y se sumerge el u.éro en-agua de cal para eliminar todo residuo de ácido. A veces eI u.ero laminado en caliente requiere recocido completo para volverlo tan blando y dúctil como sea posibll antes de Hevarlo a la operación de trabajo en fiío.

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G\ \/ o Figura 4. El laminado en frío aplana y alargalos granos en la dirección de laminación (NeelytMetalturgy, 2a. eá., O lgg4, John Wiley & Sons, Inc.).

208

PBOCESO DE tOS METALES: TRABAJO EtU FRÍO

perficie de la tira de acero se puede obtener puliendo con abrasivos. A la lámina y a la tira de acero inoxidable se les da a veces acabado de espejo antes de embarcarlas al cliente. Los metales distintos al acero, como el aluminio, el cobre y el titanio, se laminan también en barras, placas y láminas, utilizando métodos similares. Ambos procesos de laminado, en caliente y en frío, se emplean para la mayoría de los metales no ferrosos.

Fecubrim¡entos superf¡ciales aplicados a la lámina de acero

Figura 5. Tren de estirado de cinta, en primer plano se ve el operador en su consola y al fondo el tren de laminación (American lron €¡ Steel lnstitute).

La fabricación de láminas de acero delgadas de alta precisión fue posible gracias al laminador sendizmer (figura 6). Originalmente se empleó para producir láminas delgadas para equipo ligero de radar de aeronaves. Hoy día estas láminas delgadas se emplean en los programas espaciales. Este laminador produce también hoja de acero de 0.003 pulg de espesor o menos para embalaje y otros usos. Los rodillos de trabajo de estos laminadores son de diámetro bastante pequeño, de L a 2+ pulg, y a veces tienen varios pies de longitud. Se apoyan en un grupo de rodillos de respaldo. La alta calidad de la su-

Como el hierro y el acero tienen tendencia a oxidarse en la presencia del oxígeno y la humedad, se han creado muchos tipos de recubrimientos protectores. Uno de los primeros fue el recubrimiento del hierro con estaño mediante martilleo de este último sobre láminas de acero. Este método se conoce por lo menos desde el siglo xttt. El estaño no se corroe en la presencia de humedad y se une fácilmente al hierro limpio por inmersión en caliente o aplicándolo por el método electrolítico, que es el método por el que se produce en la actualidad la mayor parte de la placa estañada (figura 7). La película de recubrimiento de estaño sobre el acero puede tener un espesor menor que 0.001 pulg. Como los yacimientos disponibles de estaño se han reducido y la demanda de este metal es tan grande, las compañías acereras han tenido que buscar substitutos para el acero estañado. La chapa de cromo se emplea a veces cotno substituto y, en la áctualidad, se usan otros recubrimientos para algunos fines. La lámina de acero galvanizada se emplea como material para techos comrgados, tubos de alcantarillado y muchos artículos pequeños, como recipientes de acero

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Figura 6. Laminador de Sendizmer para laminación de tira de acero a tolerancias estrechas. Sólo los dos rodillos centrales tocan al metal; el grupo externo de rodillos es para respaldo y apoyo. Estos laminadores se utilizan para hacer tira delgada y hoja metiílica (American lron ú Steel lnstitute\.

-/

CORTE DE PI.AIUTILLAS Y TROOUELADO

209

de inmersión en caliente. En el tren de laminación del acero, el proceso es continuo y puede incluir un recubrimiento final de pintura que pasa por un proceso de seca-

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do en hornos. Las láminas galvanizadas y pintadas soportan la conformación y el doblado sin que se destruyan sus recubrimientos protectores. Sobre el acero se aplican muchos otros recubrimientos para protegerlo contra el deterioro o pala realzar su apariencia. Éstos se estudiarán en el capítulo 16, Corrosión y protección de los materiales.

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CORTE DE PLANTILLAS Y TROOUELADO

I )

Una de las formas más versátiles del trabajo de los metales es la de convertir láminas planas y tiras metálicas en artículos útiles. Los metales laminados pueden penetrarse, punzonarse o cortarse en plantillas para producir formas planas. Se pueden estirar o abombar para formar obietos como vasijas y charolas. Se puecien laminar para formar conos o cilindros, o troquelar para conformar carrocerías de automóviles; además se les puede dar forma

5

e

o

por muchas otras operaciones de conformación. Aunque el corte de una plantilla es en realidad una

e

Figura 7. Acero recubierto con estaño por el proceso electrolítico al salir de la línea de recubrimiento electrolítico (Cortesía de

c a

operación de cizalleo, se incluye aquíporque es el primer paso para conformar un producto a partir de lámina. El corte de plantillas es la operación de cortar una forma plana a partir de una tira de lámina met¿ílica en la que el material que deja el corte es el que se utiliza. Si el mate-

Bethlehem Steel Corporation). io o

o

para cocina (figura 8). Las partes de acero para lanchas, dispositivos de alumbrado público y otros objetos metálicos expuestos a menudo se galvanizan. Aunque el zinc se puede depositar por procedimiento electrolítico, el método de recubrimiento que prevalece es el proceso

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Figura 8. Rollos de acero galvanuado reducido esperando embarque. Estos rollos se producen en la moderna línea de galvanizado de la planta (Cortesía de Bethlehem Steel Corpo'ration).

Figura 9. Juego de dados para corte de plantillas en una prensa; se ilustra un punzón haciendo plantillas redondas (Cortesía de Aluminum Company of America).

21o

PBOCESO DE LOS METATES: TRABAJO EN FRfO

rial que se obtiene del hueco cortado es el desecho, la operación se conoce como punzonado; este proceso permite hacer un hueco de cualquier forma. La perforación consiste en cortar agujeros redondos (generalmente pequeños) en lámina metálica; si los agujeros son pequeños y muy próximos, se le conoce como banenado. Cuando se requieren grandes cantidades, el corte de plantillas se hace generalmente empleando un punzón y un dado comunes (figura 9). Por lo general, el proceso se utiliza sólo para lámina delgada, pero también se puede punzonar o cortar en plantillas de material más grueso, dependiendo de factores como la capacidad de la prensa, el tamaño de la plantilla y el espesor del material (figura 10). Algunas plantillas se pueden cortar a menor precio por medio de cizallas circulares (figura 11) o vibrantes (figura 12). Cuando se necesitan formas cuadradas o rectangulares, las plantillas se pueden cortar con cizallas de

cortina para lámina metálica (figura 13). Las plantillas planas también se pueden cortar con una sierra de cinta vertical o caladora, apilando varias piezas (figura 14). Se pueden emplear además cizallas de mano motorizadas (figura 15). Es evidente que utilizando cualquiera de estos métodos para cortar plantillas la producción es mucho más lenta que cuando se usa un juego de dados, y sólo son útiles cuando se trata de producir pocas partes. En la figura 9 se ilustran los componentes básicos de los juegos de dados para perforación y corte de plantillas; como se ve en la figura, son un punzón, un dado y una chapa eyectora. El portapunzón (placa superior) del dado está sujeto al ariete, la cual mueve el punzón hacia adentro y hacia afuera del dado. El portadado del juego de dados (placa inferior) está sujeto a la placa portaes-

Figuna 11. Cizallas circulares cortando un disco grande (Níagara Machine ú Tool Works).

tampa de la prensa. Los postes guía del grupo de dados sobre los cuales se deslizan los cojinetes, mantienen el alinearniento preciso de los cortadores del dado. La placa eyectora remueve la tira de material del entorno de los punzones para corte de plantillas y penetración. La tira de material se hace avanzar después de cada carrera de

punzonado con un mecanismo alimentador. Otro método para cortar plantillas consiste en utilizar dados de regla de acero (figura 16). Originalmente este

Punzón sin temple para conformación de preformas ordinarios El punzón se debe templar Rockwell C6O-C62 para perforar o penetrar

Holgura-3-57ode a

alargamiento para revenidos

blandosS-7o/ode alargamiento para revenidos duros y aleaciones resistentes

El dado se debe templar a Rockwell

c60-c6 2

Troquelado recto - % pulg mínimo para trabajar espesores de metal de Va de pulg y menores, o igual al espesor del metal para piezas de más de 1/s pulg de espesor

Ángulo de salida 3/e o

Figura 1O. La dureza y la holgura de las herramientas para corte de plantillas pueden variar con el tipo de lámina met¿flica que se utilice (Cortesía de Aluminum Company of America).

Figura 12. Recortadora duplicadora. Esta máquina corta l¿ámina met¡ílica con un pequeño punzón oscilador. En la ilustración se mueve a lo largo de una plantilla para duplicar la forma (Heck lndustries, lnc.).

211

EsnRADo, cotuFoRMAcÉN Y ExrRUsÉru oe METALES

Ensamble de dados en regla de acero Sub-base

Madera laminada

"Hy-du-lignum"

Removedor

Figura 13. Cizalla de guillotina para cortar lámina y plancha. de acero

Figura 16. Técnica de corte de plantillas con dados de regla de acero (Cortesía de Aluminum Company of America). s ,l a

Puntos de soldadura

s

I 3

método se usó para cortar materiales blandos como cartón, tela y madera contrachapada, pero en la actualidad se aplica a metales. Se sujeta una banda de acero por su borde a una ranura de la placa del dado superior. Unos cojines de neopreno reemplazanla placa eyectora normal. Los dados de rggla de acero tienen una vida útil de alrededor de 100 000 ciclos. Los dados comunes para corte de plantillas pueden producir tres veces más partes

antes de que sea necesario afilarlos. Se puede emplear

Figura 14. Aserrado con cinta de una pila de plantillas.

un dado inferior abierto o una loseta sólida de arce o de uretano para cortar aminorando el costo. Cuando las prensas mecánicas (figura17) están dotadas de series de dados punzonadores y conformadores, se puede lograr la fabricación continua de productos. Las partes para cajas de tomas eléctricas se conforman

a partir de solera de acero (figura 18).

y EXTPUSIÓN DE METALES Es fácil imaginar al metal fundido fluir por gravedad a los moldes y al acero ablandado por calentamiento al rojo blanco martillarse o forzarse a una forma dada. También son familiares la dureza y la tenacidad de los metales fríos. Es más difícil entender cómo se puede hacer fluir el metal frío cuando se aplica suficiente presión. ESTTRADO, CONFORMACTóN

i, n

Figura 15. Cizalla motorizada manual para corte de plantillas 'de lámina metálica (Robert Bosch Power TooI Corp.).

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Prácticamente, toda operación que se efectúa en caliente se puede hacer en metales fríos, pero el límite en cuanto al tamaño de estas partes lo fijan el tamaño y la potencia de la maquinaria. Como el costo de calentamiento del metal se elimina en la conformación en frío, éste es un método menos costoso, especialmente para las partes

212

pROCESO DE LOS METATES: TRABAJO EIU FRÍO

más pequeñas, además de que no ocurren daños térmi-

cos en los dados. La combinación de la conformación en caliente y en frío ofrece como ventaja la reducción de los costos de equipo cuando se requieren varias operaciones y a menudo se reducen tanto la necesidad de maquinado secundario como el personal de operación. Las partes más grandes se pueden conformar en caliente /, posteriormente, se les puede dar un acabado mediante métodos de conformación en frío. Hay una nueva tendencia hacia la conformación a temperaturas medias, que se emplea cuando los metales que son difíciles de trabajar en frío, como el titanio, el acero inoxidable y algunos aceros aleados, se pueden conformar con presiones y esfuerzos menores que los de conformación en frío. Por ejemplo, las pistas para cojinetes se conforman en la actualidad a temperatura media o "tibia" en acero aleado tenaz; posteriormente, se templan y se rectifican a esmeril. Los aceros que contienen más de 0.40o/o de carbono son difíciles de conformar en frío pero se pueden conformar a temperaturas medias es decir, abajo de la temperatura de transformación pero a la temperatura de recristalización Presión del

sujetador Comprensión del collarín Doblez

Figura 17. Prensas mecánicas, como la que se ilustra, se usan extensamente para punzonado, corte de plantillas y conformación de tira de lámina metálica (Foto Cortesía de The Minster Mnchine Company).

Enderezado

Tensión de pared

Fuerza de estirado

' >* Tensión Sujetador de la preforma

Punzón

Preforma

Figura 18. Las cajas para tomas de corriente se punzonan y conforman con una secuencia de dados progresivos (Foto

Figura 19. Fuerzas que se aplican a una preforma durante la operación de estirado en frío (Cortesía de Aluminum Company

cortesía de The Minster Machine Company).

of America).

EC?TDANII COilFORMACÉil Y EXTFUSIóru OC METALES

213

y figuras se conforman presionando sobre el metal. Ordinariamente se emplean prensas de junta de rófula para acuñar y conformar abombamientos, ya que estas máquinas son de construcción rígida, tienen carreras cortas y rápidas y ejercen presión intensa durante la ultima parte de la carrera como resultado de la acción de la junta de rótula. Véase el capítulo I para una descripción de las

prensas de junta de rótula. S

I

Estirado de plancha, lámina y papel metálico

I

Figura 2O. Partes cortadas en preformas y estiradas que muestran la secuencia de la operación de estirado (Cortesía de Aluminum Company of America).

Esta clase de procesos de estirado consiste en conformar una pieza de metal a una forma hueca aplicando fuerza con un punzón a la porción central del metal. El punzón estira al metal al interior de una cavidad abierta en el dado (figura 19). En esta operación el metal se estira so-

o arriba de ésta, alrededo r de 482"C (900 oF) para los aceros. La conformación a estas temperaturas puede incrementar substancialmente la producción para algunos

bre las paredes laterales y se le hace tomar un espesor exacto. El estirado de la lámina metálica se realiza generalmente en una prensa vertical. El corte de plantillas y la perforación o barrenado se combinan a veces en una sola operación en procesos de

materiales. El acuñado y el abombado o conformación en mamelones, son operaciones de estampación que conforman la superficie del metal. Las impresiones de letras, cifras

manufactura continua de partes pequeñas tales como ceniceros y tapas de botella. Esto se hace generalmente con series de dados progresivos (figura 20). El estirado profundo se hace con varias prensas, cada una de las cuales

. 43.850 pulg

R

3.073 pulg R 23.57 pulg

R,

1-

27'4+a outn Primera operación de estirado

139.015 pulg

R'.

96.923 pulg

R

14.314 pulg '/: pulg % pulg

R

R

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10

I

1

t/. oulg Segunda operación de estirado

1.330 purs

\

fercera y cuarta operaciones de estirado

Tercer estirado-estirar a 1 I pulg oe profundidad, luego efectuar tratamiento térmico Cuarta estirada-estirar a 1 2 pulg de profundidad

Figura 21. Secuencia de reducciones en el estirado de una caja rectangular de aleación de aluminio 6061 (Cortesía de Aluminum Company of America).

214

PROCESO DE LOS METALES: TRABAJO EN FRfo

tiene un dado diferente que contribuye a la forma final (figura 21). Cuando se tiene que reducir aún más el espesor de pared e incrementar la longitud de las partes, como en la manufactura de casquillos de cartuchos, se utiliza un proceso de planchado (?iguras ?2y 2J). En ocasiones se requiere un recocido entre las etapas de prensado.

Estirado de barra, tubo y alambre

Anillo del dado Casco estirado

(.

Punzón

Orientación de partes y herramientas lniciación de la operación de planchado

Después del decapado químico y la limpieza para remover el óxido las barras laminadas en caliente, se reducen

en su sección transversal tirando de ellas para hacerlas pasar a través de un dado de sección ligeramente menor. Esta operación se efectúa en un banco de estirado (figu-

Observe la localización de A en el punzón con respecto al extremo del casco en cada etapa

n24). El proceso de estirado endurece al metal y le da un acabado terso adecuado para flechas o ejes de maquinaria. Los tubos sin costura también se estiran en frío en un banco de estirado; la única diferencia que hay en la operación es que se coloca un mandril dentro del tubo para adelgazar las paredes y proporcionar un acabado interior (figura 25). Debido a esta operación de acabado y al mayor costo del tubo penetrado sin costura, el tubo sin costura estirado en frío es más costoso que el tubo soldado a tope. El tubo de acero sin costura, después de someterlo a una operación de pulido abrasivo, se utiliza en la fabricación de cilindros hidráulicos y en los diámetros más pequeños se emplea en tuberías de alta presión que conducen aceite u otros fluidos. El estirado de alambre sigue básicamente el mismo proceso que el estirado de barras, con la excepción de que en éste intervienen diámetros de metal mucho menores y de que es un proceso continuo (figuras 26y 27). El alambre se estira haciéndolo pasar por una serie de dados, cada uno de diámetro ligeramente menor que el anterior. Se tira del alambre por medio de un cabrestante o tambor giratorio situado entre cada juego de dados. Se hace circular refrigerante sobre los dados el cual actúa como lubricante y enfría al dado, ya que ésta es una ope-

Etapa intermedia

Etapa final

Figura 22. Planchado de un casco estirado (Cortesía

de

Alumi-

num Company of America).

ración de conformación en frío en la que se libera calor indeseable. El alambre terminado se enrolla en un carrete.

Forja en frío Lafo\a, cabeceado

Portadado

o moldeado en frío es un proceso de recalcado de metales que se efectúa en máquinas diseñadas para la producción rápida de partes pequeñas a partir de alambrón (figura 28). Las máquinas recalcadoras se clasifican según el di¿ímetro m¿íximo de alambrón que cortan. Por ejemplo, un cabeceador en frío de fr de pulgada puede cortar a cizalla acero hasta du * de pulgada de

diámetro. En estas máquinas se producen generalmente sólo partes pequeñas como preformas para tornillos y pernos, remaches y cojinetes de bolas, aunque algunas máquinas son capaces de conformar partes mucho más

Figura 23. Reducción múltiple con dados de planchado apilados (Cortesía de Aluminum Company of America).

EST|RADO, CONFORMACÉil

y EXTRUSÉN

DE METATES

215

Figura 24. Banco de estirado para barra sólida.

Tubo de pared

Figura 25. Banco de estirado para tubo sin costura.

Figura 26. Batería de máquinas modernas para estirado de alambre. La varilla entra a la izquierda, se reduce en tamaño al pasar por dados sucesivos, y finalmente se enrolla a la derecha (Cortesía de Bethlehem Steel Corporation).

Carburo de tungsteno

Figura 27. Amplificación de la sección transversal en el estirado de alambre a través de un dado (White, Neely, Kibbe, Meyer, Machine Tuols tnd Machining P ractices, Y ol. I, @ 1977, John

Wiley & Sons, Inc.).

Figura 28. Máquina para recalcado de alambrón (Ilustración cortesía de National Machinery Co.).

21A

PROGESO DE LOS METATES: TPABAJO Elll FRÍO

Figura 29. Exposición de partes formadas por recalcado en frío (Ilustración cortesía de National Machinery Co.).

grandes (figura Z9).Laaplicación más importante de las máquinas recalcadoras se encuentra en la formación de cabezas en elementos de sujeción como remaches y tornillos. Las roscas se conforrnan posteriormente por laminación sobre las preformas, con lo cual se les da una resistencia mecánica y resistencia a la fatiga mucho mayores que las que tienen los tornillos con rosca cortada

(figura 30).

En el pasado, la mayoría de los elementos de sujeción roscados se hacían en máquinas tornilladoras automáticas que torneaban la parte a partir de varilla y luego la roscaban con un dado, a lo cual seguía una operacién

de corte a tamaño. El uso de máquinas tornilladoras automáticas es necesario cuando se trata de formas complejas de alta precisión, pero son mucho más lentas que las máquinas para formar cabezas en frío; una parte pequeña hecha en L0 segundos es aceptable en una máquina automática. La producción en las máquinas recalcadoras puede ser hasta de 36 000 piezas por hora para remaches pequeños y las preformas para tornillos del No. 8 se pueden fabricar a razón de 27 000 por hora.

Los pernos de f de pulgada de diámetro se pleden cabecear, conformar su punta y roscar a una velocidad de 1,5 000 por hora. Otra ventaja de conformar las partes radica en que no se desperdicie material porque no se corta casi nada de rebaba en el maquinado. Hay también menos piezas defectuosas con el proceso de re-

Figura 3o. Estructura cristalina de una preforma para torni11o

conformado en frío (Ilustración cortesía de Nationat Machi-

nery Co.).

calcado. En la figura 3L se ilustra el proceso y la secuencia de una operación de cabeceado en frío. Al alambrón o a la varilla se les da forma de cono antes de hacer la cabeza, ya que lapiezasin apoyo tiende a pandearse si se forma primero la cabeza. En la figura 32 se ilustran varias maneras de hacer el recalcado; algunas partes se recalcan con el punzón, algunas en el dado, algunas en el punzón y el dado y otras entre el punzón y el dado. Las cinco operaciones básicas que se realizan en las máquinas de conformación en frío aparecen en la figura 33. Las com, binaciones de éstas dan a la conformación en frío gran versatilidad. Un ejemplo es la conformación del cuerpo

217

ESTIRADO, COIUFORMACÉN Y EXTRUSÉN DE METATES

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Volumen final del recalcado - área B: longitud A Longitud A -:- diámetro B : número de diámetros nominales

DiámetroB x 1.25: diámetroC (Área B + área C) - 2 = área media D sección de volumen AB - sección de volumen EB : sección de volumen

Sección de volumen BCF

-

área media

D = longitud

BCF

F

RECALCADO CÓruICO 3-114 diámetros

Alambre

Cono

Recalcado

Determinado por la cantidad de material que lleva la cabeza

Máximo =

2% x

J

diám.

medio J

-*l l*

L%

]F

o n

x

del alambre o

diám.

Boca del cono

menor 1.25 x diám. del alambre

Figura 3í. Recalcado en cono. Secuencia de operaciones en el recalcado de una cabeza de tornillo (Ilustración cortesía de National Machinery Co.\.

s t-

Perno de

disparo g¿6e Preforma

Punzón

t

)

Cabeza que se forma

en el punzón

Cabeza formada en el dado

€ a l,

a l-

n n D

Cabeza formada

en el punzón y el dado Cabeza formada entre el punzón y el dado

b t-

n o

Figura 32. Formas de hacer el recalcado (Ilustración cortesía 'de National Machinery Co.).

de una bujía (figura 34). La figura 35 muestra la progresión de recalcados y extrusiones utilizados para hacer el poste central de una bujía. Esta secuencia de operaciones y el herramental que interviene aparecen en la figura 36. Las preformas para tuercas se hacen en conformadores de cuatro o de seis dados (figura 37).Laoperación es similar a la de cabeceado y recalcado en caliente de preformas de tuercas que se analizó en el capítulo 8. Como en otras operaciones de recalcado en frío, la ventaja sobre la conformación en caliente radica en una mayor producción y un menor costo. En la figura 38 se ilustra una secuencia de conformación de tuercas en cuatro dados.

Gonformación en frío de noscas, üornillos sinfín y engranes Aunque la conformación de roscas y engranes no es una idea nueva, es bastante adecuada para formar parte de una nueva tendencia hacia el proceso continuo de los metales. Idealmente, el proceso iría desde el mineral crudo hasta el vaciado continuo, los trenes de laminación, el recalcado y la conformación en rodillos para llegar al producto terminado. En tal sistema se reduciría el desperdi-

218

PFOCESO DE LOs METALES: TRABAJO EN FRfO

I

Figura 33. Cinco operaciones

básicas

realizadas en las máquinas conformado-

ras en frío. Las combinaciones y variaciones de estas operaciones dan al conformador en frío una amplia gama de aplicaciones (Ilustración cortesía de National Machinery Co.).

hacia adelante

Extrusión

Figura 34. Desde la preforma hasta el cuerpo de la bujía terminado en una máquina de seis etapas de conformado (Ilustración cortesía de National Machinery Co.).

Extrusión hacia atrás

Operación de conformado

Penetración

Figura 35. Secuencia de recalcado y extrusiones que se usa para hacer el poste central de las bujías (Ilustración cortesía de National Machinery Co.).

Perno cargado con aire

l*--f Punzón I I Carcasa del ['\ |l-*-punzón

1 I

Perfilado

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Figura 36. a) Un pemo con carga neumática punzona la preforma del poste central de bujía en el dado. b) Un dado fuerzalos insertos hasta posiciones cerradas. c) El avance continuo del perno recalca al metal en la cavidad formada por los insertos. d) Al retirar la caja de punzonado, se abren los insertos para dejar claro para un diámetro de recalcado mayor (Ilustración cortesía de National Machinery Co.).

EST|RADO, CONFORMACÉil Y EXTRUSIÓ]U DE METATES

219

cio y se eliminarían la transferencia y el embarque de los

materiales. La conformación de roscas externas por el proceso de laminación en rodillos de roscas de tornillo es una oPeración que se lleva a cabo después del cabeceado en frío de las preformas para tornillo. Las roscas se pueden elaborar también con operaciones de maquinado en preformas conformadas en frío. La decisión de maquinar las roscas o hacerlas Por laminación se Puede basar en varios factores.

Figura 37. Conformadora de tuercas de cuatro etapas (Ilustración cortesía de National Machinery Co.).

1.. Pasticidad La magnitud de deformación requerida está relacionada directamente con la plasticidad del metal. Algunos grados de aluminio, la fundición gris y los metales inyectados no pueden laminarse debido a su alargamiento y reducción de área insuficientes.

2. Endurecimiento por habaio

La mayoría de los aceros inoxidables y los aceros de alto contenido de manganeso se endurecen rápidamente al trabajarse en frío, por lo que estos metales no se prestan para la lamina-

ción en frío.

3. Diseño de la pieza de trabajo Algunas partes no son adaptables para la conformación en rodillos; por ejemplo, las que llevan roscas demasiado cercanas a la cabeza (figura 39). Algunas roscas con conicidad y cuando se trabaja con preformas inexactas se deben usar operaciones de corte en vez de conformar en rodillos.

4. Acabado La conformación s€ usa

Figura 38. Conformación de tuercas en cuatro etapas. La hile-

esía de

ra superior de operación muestra la conformación hecha Por los punzones; la fila inferior muestra la conformación que se hace en los dados. El primer golpe recalca la preforma e inicia la conformación hexagonal. El segundo golpe desplaza al metal del centro del blanco hacia las esquinas del hexágono. El tercer golpe termina ambas caras y marca el agujero para el Punzonado. El golpe final termina de punzonat lapieza, conformando el agujero. Este método es de flujo controlado de metal, con lo cual se logran tuercas de alta calidad (Ilustración cortesía de National Machinery Co.).

en rodillos es muy superior al corte de roscas si el acabado es una consideración de importancia. 5. Dureza de la superficie El proceso de conformación de roscas en rodillos produce una dureza superficial mayor (figura 40) que ofrece buena resistencia al desgaste e incrementa la resistencia a la fatiga del metal en el fondo de los hilos de la rosca. 6. Velocidades mayores Generalmente, la conformación de roscas en rodillos es una operación algo más rápida que el corte de roscas con dados.

Rodillo de rosca

abezal de roscar

Diferencia en distancia al ensanchamiento de tope

Figura 39. Si la rosca tiene que llevarse hasta cerca de la cabeza, el corte es mejor que la conformación entre rodillos.

22f¡

PBOCESO DE LOS METALES: TRABAJO Elu FRÍO

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Figura 4O. Sección longitudinal de un elemento de sujeción hecho de acero inoxidable 304 que fue trabajado en frío, conformando la rosca entre rodillos en estado recocido. Se observa austenita resultado del trabajo en frío (y, probablemente, algo de martensita) en elárea situada inmediatamente abajo de la superficie de la rosca formada por laminación (50 X) (Metals Handbook, Yol. 7, 8a. ed., American Society for Metals,1972, p.134. Con autorización).

Figura 41. Las roscas conformadas por laminación tienen superficie más dura que las cortadas y son generalmente más resistentes.

7.

Resistencia a la tracción Las roscas conformadas en rodillos son más resistentes que las roscas cortadas debido a la reorientación (figura 41).

Las máquinas para conformar roscas entre rodillos tienen

Machuelo cónico de zanco flexionado

dos o tres rodillos roscados y endurecidos entre los cuales se forman las roscas sobre las preformas. Se emplean varios métodos para conformar lás roscas, estrías, tornillos sinfín y engranes: conformación de intra-alimentación, con alimentación pasante, el método recíproco, el método de intra-alimentación-alimentación pasante-sali-

du

Rosca cortada

Rosca formada entre rodillos

y el método automático continuo. Las roscas interiores se cortan a menudo usando ma-

chuelos, pero también se pueden conformar utilizando machuelos conformadores de roscas (figuras 42 y 43). Como en la conformación de roscas entre rodillos, el metal se desplaza para formar los hilos, con lo cual se endurece por trabajo y se vuelve terso. Ambos métodos, el de corte y el de conformación para rosc¿ls intemas, son procesos muy rápidos y la selección de método se puede basar en los mismos factores que se consideran para la conformación de roscas externas entre rodillos.

Figura 42.Elroscado de tuercas en producción se hace generalmente con machuelos doblados para hacer de éste un proceso continuo.

EST|RADO, COTUFORMACÉil

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y EXTRUSÉil

221

DE METATES

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dr nnün Figura 44. Extrusión directa. Las líneas de flujo muestran la forma en que el metal se empuja hacia afuera del dado mediante grandes fuerzas. Los metales más blandos se procesan gene-

Figura 43. Machuelos formadores de roscas (Cortesía de DoAll Company).

Engranes Un tornillo sinfín es una ranura en espfual o helicoidal, similar a la rosca de un tornillq que embona con un engrane para tornillo sinfín para transmitir movimiento. Tradicionalmente los tornillos sinfín se fabricaban en tornos o en fresadoras por ser partes que necesitan muy alta precisión. Es posible alcanzar la precisión requerida mediante el proceso de conformación en frío entre rodillos con la ventaja adicional de que la parte recibe un acabado muy terso y una superficie endurecida por trabajo. Esto reduce la fricción y proporciona una vida de servicio más larga. En este proceso la preforrna se coloca en una máquina conformadora de rodillos y se desplaza entre ellos en el proceso de intra-alimentación, en el cual se aplican cientos de toneladas de presión al girar los rodillos y la preforma con lo que se produce la forma del tornillo sinfín. Los engranes helicoidales y rectos se conforman exactamente como los tornillos sinfÍn. Los engranes más pequeños se conforman en frío, pero los más grandes y con dientes más burdos se conforman en caliente. Los engranes de alta precisión requieren una operación de acabado. Aun los engranes cortados a máquina requieren una operación de acabado que consiste en el rasurado o rectificado de los engranes a esmeril. Esto se analizará

con mayor extensión en el capítulo 12.

Extrusión en frío Éste es un proceso para producir tramos largos de diversas formas, como varillas, tubos y viguetas estructurales. Por lo general, sólo los metales blandos con bajos esfuerzos de cedencia se someten a e