1.- Introducción
Desde que se obtiene una materia prima hasta que se finaliza una pieza sólida, útil para ser empleada por sí misma o formando parte de un mecanismo, se llevan a cabo diferentes procedimientos de fabricación. Incluso es posible que una misma pieza pueda ser fabricada de diversas maneras, por lo que es importante elegir la técnica más adecuada en cada caso, pues este aspecto va a condicionar su calidad, costo y rapidez de fabricación.
Los procedimientos de fabricación empleados actualmente para la obtención de piezas puedes ser divididos en cuatro grupos:
- Conformación por Moldeo: Se funde el material y se vierte en moldes que reproducen la forma de la pieza.
- Conformación por Deformación: Los materiales son golpeados o sometidos a presión, en frío o en caliente.
- Conformación por Arranque de Material: El material se arranca en forma de virutas o pequeñas partículas para eliminar el sobrante de acuerdo con la pieza que se desea obtener
- Conformación por Adición: Sirve para unir piezas e integrarlas en otras más complejas. Las uniones pueden ser desmontables o fijas.
En este tema vamos a estudiar las diferentes técnicas utilizadas en la conformación por Deformación.
2.- Conformación por Deformación
Sin logar a dudas, uno de los factores que determina la importancia de los metales es su facilidad de conformado para la obtención de piezas de diferentes geometrías. Al someter a los metales a una serie de esfuerzos alteramos el equilibrio de la res cristalina y provocamos desplazamientos de los átomos, originando así dos tipos de deformaciones:
- Deformaciones Elásticas: al cesar la fuerza exterior, los átomos vuelven a su posición de equilibrio.
- Deformación Plástica: los átomos no recuperan su posición original al cesar la fuerza exterior, por lo que la deformación pasa a ser permanente.
Obviamente, este es el tipo de deformación que nos interesa a la hora de fabricar piezas metálicas, siendo posible hacerlo de dos maneras:
- Conformado por Deformación en Frío: por debajo de la temperatura de recristalización del metal
- Conformado por Deformación en Caliente: por encima de la temperatura de recristalización del metal.
Vamos a estudiar las seis formas más importantes de Deformación Plástica, a saber:
- Forja: Se les da forma mediante violentos esfuerzos de compresión, repetitivos o continuos.
- Estampación: Se somete al metal a esfuerzo de compresión entre dos moldes de acero o estampas
- Extrusión: Se hace pasar al metal a través de diferentes perfiles, haciéndolos fluir mediante un émbolo
- Laminación: El metal se deforma al pasar entre dos rodillos superpuestos que giran en sentidos contrarios.
- Estirado: Se trata de disminuir la sección del material haciéndolo pasar por orificios calibrados denominados hileras.
- Trefilado: Se reduce el grosor de un producto metalúrgico haciéndolo pasar por agujeros calibrados.
3.- Forja
La Forja es el procedimiento de conformación plástica que se aplica a los metales, normalmente en caliente, y que consiste en darles forma sometiéndolos a esfuerzos violentos de compresión, repetitivos o continuos.
3.1.- Calentamiento
La fase de calentamiento se suele realizar en en hornos o fraguas a temperatura superior a la recristalización para evitar el endurecimiento o "acritud" propios de la deformación en frío, pero también por debajo del punto de fusión para evitar el "quemado" de finas capas sin cohesión que harían a la pieza muy frágil o inservible.
- Fraguas: Hogares abiertos y de poca profundidad donde el metal se calienta en contacto directo con las brasas. Suelen usarse para metales forjados a mano.
- Hornos de Reverbero: Son de pequeña altura y gran longitud. En un extremo se encuentra el hogar donde se quema el combustible y en el otro la chimenea. Suelen usarse para metales forjados mecánicamente.
3.2.- Deformación
Puede ser de dos tipos:
- Forja a Mano: Es el procedimiento más antiguo de trabajo de los metales, remontándose a la edad de los metales, varios siglos antes de Cristo. Las Barras se calentaban en la fragua de carbón hasta alcanzar la temperatura idónea y luego se sacaba de la fragua con la ayuda de unas pinzas y se golpeaban con un martillo apoyando la pieza sobre un pesado yunque de acero. La deformación a mano no suele usarse en la actualidad.
- Forja Mecánica: Se deforman las piezas con sucesivos golpes, usando Martillos de compresión hidráulica, mecánica o neumática o bien usando Prensas mecánicas o hidráulicas que no golpean, sino presionan de forma progresiva y continua alcanzando presiones muy elevadas.
3.3.- Enfriamiento
El enfriamiento posterior de las piezas se suele hacer al aire y a temperatura ambiente, aunque en ocasiones se usa un lecho de cenizas o sumergiendo las piezas en agua.
3.4.- Forja en Frío
Se usa fundamentalmente para obtener pequeñas piezas por martilleo (tornillos, varillas, arandelas...) o para mejorar las propiedades mecánicas de los metales. Se usan prensas similares a la de las forjas en caliente.
4.- Estampación
La Estampación es un proceso de deformación consistente en someter un metal a un esfuerzo de compresión en una prensa entre dos moldes de acero denominados "Estampas". El metal adquiere la forma interior de los moldes que lo encierran.
4.1.- Estampación en Caliente
Para realizar Estampación en Caliente el material debe estar semi-fundido. Las estampas están constituidas por un bloque de acero rectangular o cilíndrico según sea la forma a estampar, con un hueco o "molde" para el material grabado. Dichas estampas están formadas de dos partes:
- Estampa Superior o Martillo: Se fija al martinete o a la prensa
- Estampa Inferior o Yunque: Se fija a la mesa de la prensa
El ciclo de trabajo consta de cinco etapas:
- Obtención de la Preforma: Es la porción de materia que se coloca en la estampa y que tiene una forma definida similar a la de la pieza a obtener. La estampación será más sencilla cuanto más se aproxime a la forma definitiva de la pieza.
- Distribución de la Conformación entre ambas estampas: Debe realizarse aprovechando la forma de la pieza, aprovechando un posible eje de simetría para asignar media pieza a cada estampa.
- Previsión de Rebanadas: Debe disponerse en las estampas de un hueco de rebose de material para que se pueda añadir un pequeño exceso y que la pieza no quede defectuosa por falta de material.
- Previsión de Salidas: Se suele dar una pequeña inclinación de 5º en las paredes de la estampa para facilitar la salida de la pieza una vez estampada.
- Estampas en Serie: En casos de piezas complicadas, suele ser más eficaz estampar forjas parciales intermedias para llegar a una mejor pieza final.
4.2.- Estampación en Frío
La Estampación en Frio la más utilizada para la mayoría de las chapas de la carrocería de los automóviles, piezas para aviones y aparatos electrodomésticos. Es más económica que la Estampación en Caliente al no tener que calentar el metal y además el acabado de las piezas es más perfecto.
- Las superficies han de ser perfectas, sin defectos
- El espesor debe de ser uniforme a lo largo de toda la chapa
- Las propiedades también deben ser uniformes en toda la chapa
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5.- Extrusión
La Extrusión es un proceso continuo para conformar metales y aleaciones, haciéndolas pasar a presión por medio de un émbolo.
5.1.- Extrusión en Caliente
En este caso, los metales se hacen fluir a presiones y temperaturas comprendidas entre la recristalización y la de fusión. Tiene mas aplicación que la Extrusión en Frio y se emplea para conformar gran número de metales y sus aleaciones en forma de perfiles, tubos y molduras de cualquier forma.
- Extrusión Directa: El metal fluye en la misma dirección y sentido que se mueve el émbolo. La matriz no pertenece al pistón, por lo que al presionar, el metal fluye hacia delante.
- Extrusión Inversa: El contenedor del material está cerrado en un extremo, y el empuje del émbolo fuerza al metal a retroceder a través de una matriz situada en el extremo del émbolo
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EXTRUSIÓN DIRECTA  |
EXTRUSIÓN INVERSA  |
5.2.- Extrusión en Frío
En este caso, el material se sitúa en el fondo de la matriz y se le obliga a fluir entre la pared de este y la de un punzón que lo empuja enérgicamente y aplicada por choque para aumentar el calor y facilitar la extrusión. Es eficaz únicamente con metales muy dúctiles, tipo plomo, aluminio o estaño.
También puede ser Directa o Inversa, con la diferencia de que se usa un punzón en lugar de un émbolo.
6.- Laminación
La Laminación es un proceso de conformación plástica en el que el metal se deforma al pasar entre dos cilindros superpuestos que giran en sentidos contrarios accionados por motores eléctricos. A través de sucesivas pasadas se reduce el espesor del material de partida y se obtiene así en forma de barras, planchas o perfiles.
Tipos de Laminadores:- Dúos: Cajas de dos cilindros de ejes horizontales. El diámetro del cilindro superior suele ser mayor que el del inferior, de manera que las fibras del material laminado que están en la parte superior se mueven a una velocidad ligeramente mayor y, por tanto, la barra se deforma hacia abajo y queda apoyada en un soporte que hace innecesarias las guías.
- Trio: Cajas de tres cilindros que admiten dos laminaciones simultáneas y en distinto sentido.
- Cuartos: Son cajas de cuatro cilindros en un mismo plano vertical, siendo los interiores más pequeños y constituyen los verdaderos agentes laminadores, siendo los exteriores un mero apoyo.
- Racimo: Son seis o más cilindros dispuestos en forma de racimo, lo que aumenta exponencialmente las fuerzas de tracción.
- Trenes de Laminación: Cuando se desea realizar una reducción grande del espesor o que el producto final tenga formas algo más complejas a una simple lámina, no es posible conseguirlo con una sola pasada. Por ello es necesario realizar pasadas sucesivas y escalonadas hasta obtener el perfil o la forma deseada (Chapas, perfiles, tubos...).
6.1.- Laminación en Caliente
Se puede considerar como una forja continua y, como tal, debe realizarse a temperaturas comprendidas entre la recristalización y la fusión.
6.2.- Laminación en Frío
Se lleva a cabo a temperatura ambiente, existiendo el riesgo de que el metal adquiera acritud al deformarse. Por ello, después del proceso de laminación, se someten a un recocido que elimina las tensiones intramoleculares de la deformación en frío y se le aplican tratamientos de acabado.
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7.- Estirado
El Estirado es un proceso de conformación plástica por medio del cual se produce una disminución de la sección de un material determinado, dándole una determinada forma o modificando sus propiedades mecánicas; esto se consigue haciéndolo pasar a través de unos calibrados denominados "hileras".
Propiedades del material:
- Suficientemente dúctil para que mantenga la forma de hilo fino sin romperse
- Suficientemente tenaz para que no se rompa al someterlo a tracción
- Excelente calidad u composición uniforme
La operación de Estirado se realiza en unas máquinas horizontales llamadas bancos de estirar. En ellos se fija una hilera a la bancada y se tira de ella por el otro extremo mediante una mordaza, obligándola a pasar una barra o tubo de material por un canal o boquilla troncocónica, con lo que se disminuye la sección.
8.- Trefilado
El Trefilado consiste en reducir el grosor de un producto metalúrgico (barra de metal dúctil) haciéndolo pasar mediante tracción por unos agujeros calibrados denominados "hileras". Su función es alargar el material para fabricar alambres.
Los productos así obtenidos son de gran importancia en la industria: alambres para ataduras, filamentos de lámparas, alambres conductores, cables trenzados, clavos, tornillos, alambres de espino, telas metálicas, agujas, ejes mecánicos, radios de bicicleta e incluso cuerdas para piano.
Aunque el procedimiento de conformación por deformación es similar, el Trefilado se diferencia del Estirado en:
- El estirado se aplica a barras de 4 a 6 metros de longitud y diámetros mayores de 10 mm, mientras el trefilado se aplica a bobinas enrolladas obtenidas por laminación y diámetros mucho más finos.
- En el estirado el objetivo real no es adelgazar el material, sino calibrarlo, endurecerlo o darle forma. Por el contrario, en el trefilado si se desea adelgazar el material, siendo la calibración y el endurecimiento efectos secundarios.
- Por último, en el estirado la operación se hace una sola vez, mientras que en el trefilado se necesitan varias pasadas.
La operación de Trefilado se lleva a cabo en máquinas de trefilar. Según el número de pasadas, pueden ser trefiladoras simples o trefiladoras múltiples, y que constan de las siguientes partes:
- Devanadera: Donde va el rollo de material redondo original
- Hilera: Suelen ser de acero al cromo o incluso de diamante para fabricar hilos muy finos.
- Bobina de Arrastre: Donde se recoge el alambre final.
