CONFORMADO POR SOLDADURA, ENSAMBLE Y UNIÓN

Transcripción

1 CONFORMADO DE MATERIALES METÁLICOS POR DEFORMACIÓN PLÁSTICA En el conformado mecánico de piezas metálicas especialmente los elementos de máquinas se pueden conformar por muchos métodos, en esta publicación se mencionan solo los procesos de conformado mecánico que se estudian en las cuatro tecnologías introductorias a la carrera de Ingeniería Mecánica de la Escuela Politécnica Nacional, considerando dos procesos en los cuales el material o una parte pasa por una fase líquida y luego solidifica que son por fundición y soldadura, y dos procesos en los que el material está en estado sólido durante el conformado, que son: por maquinado, virutaje o por arranque de viruta y conformado mecánico por deformación plástica. CONFORMADO MECÁNICO POR FUNDICIÓN Es un proceso que se utiliza para conformar un material al colar o moldear el material en forma líquida, el cual se introduce en una cavidad preformada denominada molde, el cual tiene la configuración exacta de la pieza e que se va a obtener. Después de que el material llena el molde, se solidifica y adopta la forma de la cavidad, luego se abre o se rompe el molde y se extrae la pieza. Existen innumerables procesos por fundición y colada como por ejemplo el de molde de arena y a presión atmosférica, molde perdido o por inyección a presión. CONFORMADO POR SOLDADURA, ENSAMBLE Y UNIÓN Un elemento de máquina o una pieza metálica se puede obtener mediante la soldadura de sus partes individuales entre sí, la unión de las partes se puede lograr por métodos permanentes como soldadura de arco o de gas, soldadura blanda o dura así como también la unión de las partes se puede lograr mediante procesos de ensamble para unir dos o más partes entre sí para formar un conjunto o subconjunto 1

2 completo con el uso de adhesivos basados en resinas epoxi o mediante uniones desmontables realizadas por sujetadores mecánicos como tornillos, pasadores, chavetas, remaches. CONFORMADO POR MAQUINADO Proceso de conformado mecánico por arranque de viruta o virutaje, se utiliza para conformar partes de materiales por desprendimiento de material mediante corte, se puede obtener piezas de alta precisión y se pueden producir superficies con buenos acabados, difícil de lograr con otros procesos de conformado, se lleva a cabo con el uso de máquinas herramientas como tornos, fresadoras, cepilladoras, rectificadoras, etc. CONFORMADO POR DEFORMACIÓN PLÁSTICA Es un proceso de formación por el cual un material en estado sólido, (primera condición necesaria para llevar a cabo el proceso), cambia su forma (segunda condición del proceso: la invariabilidad del volumen), esto es posible por las solicitaciones mecánicas a las que se somete al material mediante la aplicación de cargas que producen esfuerzos mayores que el límite de fluencia pero menores que el límite de rotura, esto es dentro de la zona de deformación plástica o permanente lo que otorga al material una alta integralidad estructural. Las solicitaciones mecánicas pueden ser por compresión, flexión, corte, torsión, tracción e indentación. El conformado mecánico por deformación plástica es un proceso que sirve para obtener piezas en estado sólido, que de manera útil aprovecha las propiedades mecánicas y tecnológicas de los metales como es la maleabilidad y la ductilidad. [CÁRDENAS, 1990] 2

3 El conformado mecánico por deformación plástica puede clasificarse de acuerdo a varios criterios dependiendo de los autores; para los fines que en esta materia se persigue de dar una visión amplia del tema se clasifica por la temperatura del material cuando se deforma plásticamente y por solicitaciones mecánicas. PROCESOS DE CONFORMADO MECÁNICO POR DEFORMACIÓN PLÁSTICA POR LA TEMPERATURA DE CONFORMADO Por la temperatura del material durante la deformación plástica el conformado mecánico puede clasificarse por los dos tipos principales de trabajo mecánico en los cuales el material puede sufrir una deformación plástica y cambiarse de forma que son trabajos en caliente y trabajos en frío. En el conformado en frío, es decir cuando la temperatura del material es inferior a la temperatura de recristalización y en caliente cuando la deformación plástica o permanente se da a una temperatura mayor por arriba del máximo valor del rango de la temperatura de recristalización. Hay autores que definen a la temperatura de recristalización como aquella a la cual el material metálico altamente deformado recristaliza en un ciento por ciento en una hora. [AVNER, 1978] La temperatura de recristalización de un metal determina si el trabajo es en caliente o en frío. El trabajo en caliente de los metales se efectúa por encima de la recristalización o rango de endurecimiento por trabajo. El trabajo en frío debe hacerse a temperaturas abajo del rango de recristalización y frecuentemente es realizado en condiciones atmosféricas y a temperatura ambiente. Para el acero, el rango de la recristalización está alrededor de 500 a 700 C, como puede observarse en un diagrama en equilibrio hierro carbono de la Strues Scientific Instruments; aunque la mayoría de los trabajos en caliente del acero se hacen a temperaturas considerablemente arriba de este rango (temperatura de inicio 3

4 de trabajado normalmente esta alrededor de los C). No existe tendencia al endurecimiento por trabajo mecánico hasta que el límite inferior del rango de recristalización se alcanza. Algunos metales, tales como el plomo y el estaño, tienen bajas temperaturas de recristalización y pueden trabajarse en caliente a temperatura ambiente, pero la mayoría de los metales comerciales requieren de algún calentamiento. [AVNER, 1978] Las composiciones aleadas tienen una gran influencia sobre todo en el rango de trabajo conveniente, siendo el resultado un aumento de la temperatura de recristalización; este rango también puede incrementarse por un trabajo anterior en frío. Cuando al metal se le trabaja en caliente, las potencias requeridas para deformarlo son menores que para un trabajado en frío y las propiedades mecánicas cambian, durante todas las operaciones de trabajo en caliente, el metal está en estado plástico y es formado rápidamente por presión, el trabajo en caliente tiene las ventajas siguientes: la porosidad en el metal es considerablemente eliminada, la mayoría de los lingotes fundidos contienen pequeñas sopladuras, las impurezas en forma de inclusiones son eliminadas y distribuidas a través del metal, los granos gruesos o prismáticos son refinados, la ductilidad y la tenacidad se incrementan, su resistencia mecánica disminuye y se desarrolla una gran homogeneidad en el metal. Cuando se trabaja en caliente, el incremento de la resistencia mecánica y el endurecimiento por deformación plástica del metal se ve compensado por la simultánea recristalización que sufre el material debido a la temperatura. Los procesos de trabajo en caliente presentan desventajas; debido a que normalmente se trabaja en condiciones atmosféricas no controladas y a la alta temperatura del metal se produce una rápida oxidación o escamado de la superficie lo que produce un acabado superficial deficiente, como resultado del escamado no pueden mantenerse tolerancias precisas; el equipo y los costos de mantenimiento 4

5 son altos, pero el proceso es más económico comparado con el trabajo a bajas temperaturas. Cuando a un metal se le deforma plásticamente en frío, se requieren grandes potencias para deformarlo, y la resistencia mecánica y la dureza del metal se incrementan notablemente y permanentemente mientras se va deformando, El conformado es en frío, cuando la temperatura de deformación no llega a producir cambios en su micro-estructura. Los efectos que produce en el material un conformado mecánico por deformación plástica en frío son: mejor precisión, se puede producir piezas con tolerancias más estrechas; buenos acabados superficiales; incremento de la resistencia y dureza de la parte deformada por lo que se requiere mayor potencia que el trabajo en caliente para desempeñar las operaciones. Se debe tener cuidado para asegurar que las superficies de la pieza de trabajo inicial estén libres de incrustaciones y suciedad. La ductilidad y el endurecimiento por deformación del metal de trabajo limitan la cantidad de formado que se puede hacer sobre la pieza; en la industria se combinan los dos procesos aprovechando las ventajas de cada uno; en caliente se pueden tener grandes deformaciones y en frío mejores tolerancias y acabados. PROCESOS DE CONFORMADO MECÁNICO POR DEFORMACIÓN PLÁSTICA POR SOLICITACIONES MECÁNICAS Los procesos de conformado mecánico por solicitaciones mecánicas del material durante el conformado, se clasifican en: procesos de compresión directa: forja: que puede ser alternativa o rotativa; procesos de compresión indirecta: extrusión y trefilado; procesos por flexión: embutido, repujado, doblado, plegado o perfilado y rolado; procesos por corte: punzonado y corte con cizallas; procesos por torsión, procesos por tracción y procesos por indentacion. 5

6 PROCESOS POR COMPRESIÓN DIRECTA En estos procesos las fuerzas impuestas y las fuerzas que deforman al material son de compresión. El metal fluye en direcciones normales a la fuerza impuesta, el único proceso por compresión directa es la forja; la cual puede ser alternativa o rotativa; la forja alternativa puede llevarse a cabo manualmente con yunque y martillo o con máquinas de forja martinetes o prensas. La forja rotativa, mal llamada: laminación, permite obtener planchas metálicas, perfiles, ruedas de tanques de guerra, tubos sin costura, esferas para molinos y rodamientos, etc. rolado del inglés roller o también suajado del inglés sjawing. FORJA Es un proceso de conformado mecánico por compresión directa, el forjado mecánico es más rápido, cómodo y económico [IZA, 2008] (dependiendo del lote de producción, cuando son pocas piezas son más rentables los métodos en los cuales el costo de herramental es más bajo). Las fuerzas impuestas y las fuerzas que deforman el material son de compresión y el flujo del material es perpendicular a las fuerzas impuestas. (Figura 1) Figura 1. Procesos de forja [ 2013] 6

7 LAMINACIÓN Es un proceso de conformado mecánico por deformación plástica por compresión directa en el cual yunque y martillo se sustituyen por rodillos, consiste en deformar un metal al hacerle pasar por entre rodillos giratorios de igual diámetro, siendo la abertura entre ellos menor que el espesor de la pieza de trabajo. (Figuras 2 y 3) Figura 2. Proceso de laminación [IZA, 2008] Figura 3. Laminación en caliente [ PROCESOS POR COMPRESIÓN INDIRECTA En procesos por compresión indirecta, la fuerza impuesta es única, es una fuerza que posiciona el material en la herramienta la misma que empuja o jala al material produciendo su paso a través de la herramienta, la fuerza que deforma al material es de compresión que aparece indirectamente como reacción de la fuerza impuesta al material en la herramienta contra el material y el flujo del material es en la misma dirección de la fuerza impuesta; Los procesos de compresión indirecta incluyen la extrusión y trefilado. 7

8 EXTRUSIÓN Es un proceso de conformado mecánico, de compresión indirecta en el cual una masa de material dúctil (tocho, lingote o palanquilla) es obligado a cambiar de sección transversal cuando fluye en estado sólido a través de un orificio de una matriz (dado) de forma determinada, por medio de un impacto o un empuje en forma directa cuando el material fluye en el mismo sentido de la fuerza impuesta o en forma inversa cuando el material fluye en sentido contrario al de la fuerza impuesta, para formar una pieza de sección constante, hueca o no, y cuya longitud depende de la aportación de material y la geometría del herramental. (Figura 4) Figura 4. Proceso de extrusión [ 2013] TREFILADO Es un proceso de conformado mecánico, de compresión indirecta, que consiste en hacer pasar un alambre grueso o alambrón por una matriz de acero llamada hilera o trefila provista de un agujero ligeramente cónico, agujero va disminuyendo progresivamente el diámetro hasta llegar a la medida que se desea obtener. (Figura 5) 8

9 Figura 5. Proceso de trefilado [ 2013] PROCESOS POR FLEXIÓN En estos procesos por deformación plástica, la fuerza impuesta sobre el material es de flexión, la condición para que exista la flexión es que el material este sostenido entre apoyos simples en sus extremos o con apoyo de empotramiento en un extremo visto en el plano, lo que producirá al interior del el material fuerzas cortantes y momentos flectores que varían sobre toda la dimensión del material. Una variable fundamental en estos procesos es que el espesor del material se mantiene constante. Los procesos de flexión por solicitaciones mecánicas incluyen: la embutición, el repujado o rechazado al torno, el doblado el plegado o perfilado y el rolado. Estos procesos por flexión: puede hacerse alguna clasificación de los mismos, tomando en cuenta los medios utilizados para someterle al material a flexión, en procesos que utilizan matriz-embolo y procesos que utilizan rodillos. 9

10 EMBUTICIÓN Es un proceso de conformado mecánico por solicitaciones mecánicas por flexión, que consiste en darle una forma cóncava hueca a una lámina metálica, por deformación permanente de la misma manteniendo el espesor el espesor constante, utilizando una estampa machi-hembrada compuesta por un conjunto embolo-matriz que normalmente suele ser metálica y sirve para grandes lotes de producción en el orden de 10 6 piezas. (Figura 6) Figura 6. Proceso de embutición [ 2013] REPUJADO Es un proceso de conformado mecánico por deformación plástica por flexión, conocido también como repulsado, rechazado en torno o embutido al torno y consiste en obtener de un disco plano de chapa o una pieza previamente embutida, un recipiente o una figura de revolución de forma cóncava. Pueden obtenerse manualmente o con procedimientos automatizados piezas para aceleradores de electrones, puntas de proyectiles. (Figura 7.) 10

11 Figura 7. Proceso de repujado [ 2013] DOBLADO Es un proceso de conformado mecánico por deformación plástica por flexión en el que el metal es obligado a tomar nuevas formas por movimiento o flujo plástico, sin alterar su espesor de forma que todas las secciones permanezcan con geometría constante y la zona de deformación plástica es imperceptible de manera que las propiedades a lo largo y ancho de toda la pieza permanecen constantes. Hay que recalcar que el nombre correcto del herramental es embolo y no punzón pues este se utiliza para la operación de punzonado que es una operación de corte. (Figura 8.) Figura 8. Proceso de doblado [ 2013] 11

12 PLEGADO O PERFILADO Es un proceso de conformado mecánico por flexión, mediante la cual se deforma una parte de una chapa metálica según una forma prevista utilizando pares de rodillos cuya separación es exactamente el espesor del material. Este es un proceso de conformado mecánico por flexión, que consiste en fabricar perfiles de longitud considerable por medio de curvado o doblado de tiras de láminas metálicas por ejemplo los conocidos perfiles de acero IPAC deformados en frío, otras aplicaciones incluyen láminas para puertas enrollables. Además se utiliza este método de conformado para el sellado de latas contenedoras de comida sellada al vacío, operación conocida como grapado. (Figura 9) Figura 9. Proceso de plegado o perfilado [ 2013] 12

13 ROLADO Es un proceso de conformado mecánico por flexión, mediante el cual se deforma una lámina metálica o un perfil y se le da forma de superficie desarrollable, considerando como tal, la que puede extenderse sobre un plano sin sufrir deformación. (Figura 10.) Figura 10. Proceso de rolado [ 2013] 13

14 PROCESOS POR CORTE El corte es un proceso de conformado mecánico por deformación plástica que sirve para la preparación y acabado en la fabricación de piezas metálicas. En la operación un pequeño volumen de metal es deformado plásticamente hasta que se produce la fractura del mismo, este proceso incluye al corte por cuchillas o cizallas y punzonado. No hay que confundir con el proceso de aserrado que es un proceso por virutaje mal llamado corte. Para que un proceso de conformado mecánico por deformación plástica sea por corte debe cumplir con las variables: existen dos fuerzas impuestas, estas fuerzas impuestas de igual magnitud actúan sobre el elemento metálico en sentidos contrarios las que no actúan sobre la misma línea de acción, estas actúan en sus propias líneas de acción las cuales están separadas por una pequeña distancia produciendo un par. El área de corte del material en función de la ductilidad del material, a mayor ductilidad mayor área cortada y en el resto de la sección se produce la separación del material por desgarre que es la es propagación del corte. (Figura 11) Figura 11. Procesos por corte [ 2013] 14

15 CORTE POR CUCHILLAS O CIZALLAS Es un proceso de conformado mecánico por corte, el cual implica a someter al metal a un par de fuerzas separadas una distancia menor que el espesor del material a cortarse, sometiendo al material a esfuerzos cortantes superiores a su resistencia al corte, hasta producir el corte en una sección que representa algún porcentaje de superficie cortada en la sección transversal del material dependiendo de la dureza del material, que se presenta como una área brillante donde se tiene corte puro y una zona de desgarre por la cual se desplaza la fractura, es decir solo una pequeña parte del material se corta el resto de material se separa por el viaje de la deformación plástica producida a lo largo de la sección transversal del material por desgarre. Esto se lo realiza utilizando cuchillas rectas en prensas conocidas como guillotinas. (Figura 12.) Figura 12. Proceso de corte con cuchillas planas [ 2013] 15

16 PUNZONADO Es un proceso de conformado mecánico que consiste en practicar sobre una chapa un agujero de forma determinada, mediante una estampa apropiada. En este caso el herramental es el punzón cuyo perímetro es ligeramente menor al de la matriz (Figura 13.) Figura 13. Proceso de punzonado [ 2013] PROCESOS POR TORSIÓN Un proceso de conformado mecánico por deformación plástica por torsión se define como aquel en el cual las solicitaciones mecánicas del material son de torsión, producida por la aplicación de dos momentos de torsión y de sentido contrario sobre un elemento mecánico unidimensional como una varilla de sección cuadrada o hexagonal para la fabricación de elementos mecánicos utilizados en carpintería metálica para protecciones metálicas especialmente en acero, como pasamanos o cubre ventanas; así como también para la fabricación de resortes helicoidales, en los que mientras se efectúa el embobinado del alambre se va torsionando al material de manera de ir sometiendo al material a deformación 16

17 plástica por torsión con el objeto de proveerle una constante de recuperación elástica adecuada. Los resortes helicoidales son elementos mecánicos que trabajan a corte, que al estar sometidos a cargas fluctuantes, trabajan a fatiga por lo que después de un determinado tiempo de servicio suelen fallar rompiéndose generalmente cerca de la junta en la primera espira. Estos elementos mecánicos una vez que han fallado ya no pueden recuperarse, los mismos que deben ser reemplazados, y sobre todo cuando en ciertas máquinas como por ejemplo en el prensa chapas de una matriz de embutición existan muchos, si uno falla es imperativo el recambio de todo el juego de resortes, por numerosos que sean y que aparentemente aún no hayan fallado, pues estarán a punto de fallar. (Figura 14) Figura 14. Procesos por torsión [ 2013] PROCESOS POR TRACCIÓN En este proceso las solicitaciones mecánicas a las que se somete a un elemento mecánico unidimensional son de tracción. Este proceso se utiliza muy esporádicamente como un proceso secundario para la recuperación de piezas que después de un proceso de extrusión o laminado no presenta una planeidad dentro de las tolerancias establecidas en las normas correspondientes por ejemplo en la norma 17

18 NTE INEN 2250:2000 Aluminio perfiles o en perfiles de acero producidos por laminación en caliente con planeidad fuera de especificación. No hay que confundir al ensayo normalizado de tracción que se utiliza para determinar las propiedades mecánicas de un metal dado con un proceso de fabricación por tracción. A este proceso a menudo autores lo denominan estirado y lo definen como un proceso de conformado mecánico por tracción, en donde el metal es estirado es decir deformado plásticamente por medio de herramientas adecuadas de contención como una matriz de caucho. PROCESOS POR INDENTACIÓN A pesar de que en la literatura no se encuentra un proceso de deformación plástica por indentación, se podría pensar en el repujado estático de láminas metálicas de bajos espesores y de baja resistencia mecánica como el aluminio para formar alto relieves a nivel artesanal o artístico, como por ejemplo la esfera del globo terráqueo que está en el obelisco de la mitad del mundo en la localidad de Pomasqui en Ecuador fue construida en el Laboratorio de Conformado Mecánico de la EPN. FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL CONFORMADO MECÁNICO Los principales factores que intervienen en el conformado mecánico en general son: la temperatura en el conformado como ya se explicó antes, velocidad de deformación durante el conformado y la micro-estructura del material. Además para el proceso de doblado se debe tomar en cuenta otros factores que influyen más que en otros procesos, como la fricción y la recuperación elástica. LA VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN La velocidad de deformación tiene poca influencia en los procesos de 18

19 conformación, a menos que se realicen a grandes velocidades lo que en más de una ocasión puede ser cierto debido a urgencias en el tamaño del lote de la producción, ya que pueden aparecer regiones de deformación no uniforme llegando a la rotura por aumento de la resistencia mecánica y por tanto de la fragilidad del material. El comportamiento de los metales en los procesos de conformación puede depender de la velocidad de deformación, la mayoría de los metales de estructura cúbica centrada cambian su comportamiento de dúctiles a frágiles dentro de un determinado rango de temperatura y si la velocidad de deformación es considerablemente alta, el fenómeno de la temperatura de transición resulta significativo. [AVNER, 1978] Si la velocidad de deformación es grande puede dar lugar a que se produzcan regiones de deformaciones no uniformes o marcas de deformación, las mismas que podrían ser eliminadas al disminuirse esta velocidad. En el trabajo en caliente el límite elástico de los metales es considerablemente afectado por la velocidad de deformación. LA MICRO-ESTRUCTURA EN EL CONFORMADO La fuerza necesaria para realizar una operación de doblado, está relacionada directamente con el límite de fluencia del material que se trabaja y esta depende de la estructura metalúrgica y de la composición de la aleación. [AVNER, 1978] El límite elástico de los metales dependen de la micro-estructura metalúrgica y de la composición química de cada uno de ellos, ya sea como metales puros o como aleaciones, al realizar cualquiera de las operaciones de conformado mecánico, los esfuerzos para la deformación plástica dependen del límite elástico y por tanto de la estructura metalúrgica, por otra parte, el conformado mecánico por deformación plástica de los metales puros resulta más fácil mientras más alto sea el punto de 19

20 fusión; en cuanto al punto de fusión se refiere, si las partículas dispersas tienen un punto de fusión más bajo que la matriz, se presenta el riesgo de fragilidad en caliente con mayor frecuencia. [AVNER, 1978] El límite elástico se ve también modificado por el tamaño de las partículas uniformemente distribuidas de esta manera habrá un aumento en el límite elástico si las partículas de una segunda fase son más pequeñas, tal es el caso de la perlita en el acero. [AVNER,1978] FRICCIÓN El rozamiento aumenta la resistencia a la deformación y es bastante difícil de cuantificar, constituye uno de los factores más inciertos en las operaciones de conformado mecánico por deformación plástica especialmente en el caso del doblado. El valor de las fuerzas de rozamiento depende del material que se trabaje, de la rugosidad, de la lubricación, de la velocidad de deformación y la temperatura. RECUPERACIÓN ELÁSTICA Cuando una pieza de metal es sometida a una fuerza uniaxial, se produce una deformación del metal. Si el metal vuelve a sus dimensiones originales cuando la fuerza es suspendida, se dice que el metal ha experimentado una deformación elástica. En materiales dúctiles al realizar el proceso de doblado, se debe tomar en cuenta la recuperación elástica del material, para obtener la dimensión final. Al cargar un cuerpo y luego descargarlo el mismo recupera su configuración geométrica inicial. La recuperación no tiene que ser instantánea, pero siempre que el cuerpo recupere su configuración inicial, se considera que el mismo es elástico. 20

21 Es el caso en que un cuerpo sometido a la acción de cargas exteriores, no recupera su configuración geométrica inicial luego de ser retiradas las mismas queda una deformación plástica, permanente o remanente que es lo que caracteriza a la plasticidad. BIBLIOGRAFÍA AVNER S. (1978). Introducción a la Metalurgia Física. 2 da Ed. Mc Graw-Hill. México. CÁRDENAS V. (1990). Conformado Mecánico. Escuela Politécnica Nacional. Quito. IZA B. (2008), Construcción de una Roladora de Laboratorio. Tesis. EPN. Quito. JARAMILLO J. (2010). Apuntes de Clase. EPN. Quito. MONAR W. (2012). Apuntes de Clase. EPN. Quito. NTE INEN 2250:2000. (2000), Aluminio perfiles. INEN. Quito. (C) Copyright Metkon Instruments Ltd, TURKEY. &form=qbir#view=detail&id=24265e2c29afb7547b212875c64beea63b43b 489&selectedIndex=1 8Gc65jM7g/SaqyZT2b8LI/AAAAAAAAAGA/ouG6VVlX6o4/s200/ %5 B1%5D.jpg html