Nuevos materiales: una odisea de años

Transcripción

1 Nuevos materiales: Manufactura I una odisea de años Plan 2016 Semestre Grupo 01 del homo habilis al homo sapiens

2 Manufactura I Procesos de Deformación Plástica Procesos de fundición Procesos de conformado mecánico Procesos a partir de polvos Procesos de conformado de polímeros y cerámicos Procesos primarios Procesos con arranque de viruta Procesos para modificar las propiedades de los materiales Procesos para unir partes Procesos secundarios Procesos de acabado de superficies

3 Manufactura I Procesos de Deformación Plástica Se define a un proceso de conformado mecánico como aquel en donde se produce un elemento terminado o semiterminado mediante la deformación plástica del material. Por las condiciones del proceso (temperatura y velocidad de deformación) estos se clasifican como: Trabajo en caliente: Temperatura de proceso mayor de 0.75 T f Trabajo en frio (se presenta endurecimiento); generalmente se desarrolla a temperatura ambiente Trabajo en tibio, 0.30 a 0.60 la temp de fusión

4 Manufactura I Procesos de Deformación Plástica Conformado Mecánico: En función del tipo de carga que produce la deformación: Procesos en los que se obtiene la forma final mediante la deformación plástica del objeto, ésta puede ser por: 1. Esfuerzos de compresión, forja 2. Esfuerzos de compresión inducida o indirecta, extrusión 3. Esfuerzos inducidos de Tracción; embutido 4. Tracción biaxial, estirado de lámina 5. Esfuerzos de corte, troquelado.

5 En caliente, se tiene grandes deformaciones, por ejemplo: Forja libre o abierta

6 Sin embargo en frío las deformaciones son mucho más limitadas y además habrá que considerar la recuperación elástica, por ejemplo el trabajo en lámina; Operación de Rechazado de chapa metálica

7 Descripción esquemática de los procesos de conformado mecánico más comunes:

8 También se pueden clasificar de acuerdo con la características del proceso Procesos Primarios; Grandes deformaciones, normalmente realizadas en caliente Procesos Secundarios o de acabado; se obtiene la forma final, son procesos en frío.

9 Procesos de deformación volumétrica. a. Formador de lazo durante la laminación de barras de refuerzo para construcción, b. Diferentes perfiles obtenidos por extrusión de aluminio. (a) (b)

10 Procesos más usuales Deformación volumétrica Laminación. Es un proceso de deformación por compresión directa, en el cual el espesor del lingote se reduce al pasar a través de dos rodillos que giran en sentido opuesto, y cuya separación es menor que el espesor inicial del rodillo. Se efectúa tanto en frío como en caliente. Forja. El material se deforma entre dos dados, de tal manera que la forma del dado se imprima para obtener la geometría deseada (forja en estampa). Geometrías simples forja libre. Grandes deformaciones, por lo tanto generalmente en caliente; aunque puede ser en frío.

11 Procesos más usuales Deformación volumétrica Extrusión. Proceso de compresión indirecta en el cual se fuerza el metal a fluir a través de la abertura de un dado para que tome la geometría de éste. El proceso se realiza en caliente Estirado. En este proceso el diámetro de un alambre o barra se reduce cuando se hace pasar éste, por efecto de una fuerza de tracción, a través de la abertura de un dado.

12 Durante el trabajo con lámina se tienen operaciones de: Doblado. El doblado implica la deformación de una lámina metálica o placa para que adopte un ángulo con respecto a un eje Embutido (estirado). se refiere a la transformación de una lámina de metal en una forma hueca o cóncava. Corte. Este proceso se caracteriza en que las cargas aplicadas generan en el material solicitaciones superiores su resistencia al corte lo que produce la separación de la chapa.

13 Trabajo en lámina:

14 Trabajo en lámina: Los diferentes elementos que forman la carrocería de un automóvil se producen a partir de chapa metálica.

15 Chasis monocasco de un BMW serie 5 En este caso las operaciones de estampado de lámina son fundamentales. Los elementos que se observan tienen una función estructural

16 Procesos de Conformado Mecánico en Frío.

17 Mejor acabado superficial. Trabajo en frío de los metales. Características Tolerancias dimensionales más estrechas. Cambio en las propiedades físicas (se pueden ajustar las propiedades mecánicas de acuerdo con las necesidades del producto). Mayor capacidad para ser deformados por cargas de tracción. Mayor consumo de energía para la deformación. Anisotropía. Necesidad de recocidos intermedios, en el caso de grandes porcentajes de deformación.

18 Procesos de Conformado Mecánico (deformación Plástica) en frío Barras Tubos Alambre Rechazado Rechazado de potencia Embutido con planchado Estirado Compresión: Doblez: Corte o desprendimiento: Acuñado Laminado Calibrado Forja en frío Formado de roscas Extrusión Remachado Doblado Rolado Doblado de placa Rebordeado Engargolado Formado con rodillos Troquelado Punzonado Corte de cinta o hendido Recorte Perforado Escopleado Ranurado Lancetado Rasurado Corte con cizalla Procesos de aplicación particular: Formados por alta energía Formado superplástico

19 Procesos de Conformado Mecánico (deformación Plástica) en frío Estirado de alambre y barra: Estos procesos se realizan en una prensa o banco de estirado, en el caso de barra se realiza una sola reducción de diámetro, mientras que en el alambre se tiene un proceso secuencial en el que el material va pasando sucesivamente en varios dados de estirado, pudiendo en algunos casos ser sometido a un recocido en línea, esto es entre etapas subsecuentes de estirado. Dado que la carga de estirado es función del coeficiente de fricción entre el dado y el material, entonces es usual el uso de lubricantes que soporten las elevadas presiones que se generan durante el contacto de la herramienta con el material. El estirado puede ser en seco o en húmero (el dado se encuentra inmerso en el lubricante).

20 Procesos de Manufactura en frío Trabajo en Chapa metálica Laminado en caliente Decapado Estirado del alambre (Alambrón) o tubo (se aplican recocidos intermedios de ser necesario). UDIATEM

21 Procesos de Manufactura en frío Trabajo en Chapa metálica Banco de estirado de 5 etapas UDIATEM

22 Procesos de Manufactura en frío Trabajo en Chapa metálica Banco de estirado UDIATEM

23

24 Dados de estirado

25 Estirado de tubo

26 Estirado de tubo

27 En el rechazado se considera que el espesor inicial y final son iguales Rechazado de chapa metálica En el rechazado de potencia la presión de la herramienta causa el flujo plástico del material reduciendo el espesor de éste

28 Rechazado El rechazado permite la fabricación de cuerpos de revolución huecos

29 Rechazado Dado que la deformación se produce al empujar el material sobre el mandril, en el caso de rechazado de potencia se pueden alcanzar reducciones de espesor de casi el 200% de la máxima deformación en tracción

30 El formado de cabezas y cuerpo de tornillos y tuercas en el caso de diámetros menores de 12 mm se puede realizar en frío Forja en frío Operaciones de formado, recalcado y estirado

31 Forja rotatoria (suajeado rotatorio)

32 Acuñado

33 Remachado

34 Formado con rodillos Éste se utiliza para la producción de perfíles a partir de cinta metálica. El formado se produce por etapas

35 Número de pasos y secuencia empleada en la formación de un perfil Udiatem

36 Manufactura I Semestre de septiembre de 2016 Procesos de Deformación Plástica Nuevos materiales: una odisea de años del homo habilis al homo sapiens Prof.Dr. Armando Ortiz Prado

37 Diferentes perfiles utilizados con fines estructurales Manufactura I Semestre de septiembre de 2016 Procesos de Deformación Plástica Perfiles estructurales Vigas producidas por laminación ( en caliente) Nuevos materiales: una odisea de años del homo habilis al homo sapiens Perfiles producidos por el doblado de cinta al pasar entre rodillos formadores (en frío) Prof.Dr. Armando Ortiz Prado

38 Manufactura I Semestre de septiembre de 2016 Procesos de Deformación Plástica Rolado Se puede aplicar a lámina o placa para formar elementos cilíndricos, la deformación se produce por flexión en tres puntos. Muchos textos y autores confunden este término para referirse a el proceso de laminación lo cual se produce por una traducción literal del termino ROLLING que es el utilizado en inglés para referirse a la deformación entre dos rodillos Udiatem

39 Manufactura I Semestre de septiembre de 2016 Procesos de Deformación Plástica Rolado Chapa Tubo

40 Rolado Manufactura I Semestre de septiembre de 2016 Procesos de Deformación Plástica

41 Manufactura I Semestre de septiembre de 2016 Procesos de Deformación Plástica Forjar o Troquelar?; La intención de todo proceso de manufactura es producir un elemento que cumpla con su función en un sistema, esto al mínimo costo (mínimo consumo de energía, mínimo consumo de materiales, mínima generación de efluentes, fácil reciclado, entre otros aspectos). Es por lo anterior que los métodos para producir un cierto elemento pueden ser muy variados e irse modificando en el tiempo. La forja es un proceso que produce muy buenas propiedades en la pieza, pero por su complejidad resulta siempre costoso, es entonces que se busca utilizar otros métodos más económicos como la fundición y el troquelado; en particular en las siguientes imágenes se observarán algunos ejemplos de como los métodos de fabricación se han transformado para permitir una mayor producción en menores tiempos y costos.

42 Diseños construidos con base en piezas forjadas y maquinadas Manufactura I Semestre de septiembre de 2016 Procesos de Deformación Plástica Colt 1911 (1909USA)

43 Diseños construidos con base en piezas forjadas y maquinadas Manufactura I Semestre de septiembre de 2016 Procesos de Deformación Plástica 30 M1 Carabina (1942USA)

44 Doblado Nuevos materiales: una odisea de años del homo habilis al homo sapiens

45 Manufactura I Semestre de septiembre de 2016 Procesos de Deformación Plástica Fuerza de Doblado 0wt Fb k l k 1.3 donde: 2 Nuevos materiales: una odisea de años w ancho del homo habilis al homo sapiens t espesor de la lámina l distancia de doblado (entre apoyos)

46 Manufactura I Semestre de septiembre de 2016 Procesos de Deformación Plástica Engargolado Nuevos materiales: una odisea de años del homo habilis al homo sapiens

47 Engargolado

48 Embutido. Manufactura I Semestre de septiembre de 2016 Procesos de Deformación Plástica Usualmente los materiales más ocupados en procesos de embutición son aquellos con mayor ductilidad como las aleaciones de aluminio o cobre en comparación con los aceros.

49 Embutido. Manufactura I Semestre de septiembre de 2016 Procesos de Deformación Plástica Piezas embutidas en acero. Es importante cuidar la relación entre el diámetro del material a embutir y la altura de embutición. 0 Relación de embutido f donde diámetro inicial 0 diámetro final (punzón) f

50 Embutición. Manufactura I Semestre de septiembre de 2016 Procesos de Deformación Plástica Este proceso permite la obtención de piezas huecas de diversa forma (acopada, de caja, etc.). El principio básico consiste en empujar el material en forma de lámina sobre la cavidad de una matriz mediante un punzón.

51 Embutición. Manufactura I Semestre de septiembre de 2016 Procesos de Deformación Plástica El esquema del proceso se muestra en la siguiente figura: femb t 0

52 Embutido

53 Formado mediante corte de chapa metálica Manufactura I Semestre de septiembre de 2016 Procesos de Deformación Plástica Troquel simple; 1.perno de freno ó límite, 2. Buje guía, 3. Perno guía, 4. Tornillos de sujeción, 5. Espiga guía, 6. Perno, 7. Placa de fijación, 8 y 13. Porta troquel, 9. Punzón, 10. Placa guía, 11. Cinta, 12.matriz

54 Formado de chapa mediante corte [Troquelado] Manufactura I Semestre de septiembre de 2016 Procesos de Deformación Plástica Troquel progresivo. En este se lleva a efecto una operación de punzonado para después proceder al troquelado. 1. Punzón de troquelado, 2. Perno guía o de localización, 3. Matriz de troquelado, 4. Herramienta de punzonado, 5. Matriz de punzonado, 6. Guía, 7. Cinta, 8 pieza terminada, 9 desperdicio

55 Formado de chapa mediante corte [Troquelado] Manufactura I Semestre de septiembre de 2016 Procesos de Deformación Plástica Operación de un troquel compuesto que corta y embute. 1. Punzón de corte, 2. Punzón de embutido, 3. Placa de soporte, 4. Matriz de corte, 5. Expulsor, 6. Cinta metálica a troquelar, 7. Perno de limitación o freno, 8. Pieza cortada, 9. Pieza ya embutida, 10. Pieza final, 11. Desperdicio o calavera.

56 Formado de chapa mediante corte [Troquelado] Troquel progresivo de 10 etapas para alta producción. Nótese que las guías ya no emplean bujes sino sistemas antifricción

57 Dibujo de ensamble de un troquel progresivo Manufactura I Semestre de septiembre de 2016 Procesos de Deformación Plástica

58 Troquelado, punzonado. Manufactura I Semestre de septiembre de 2016 Procesos de Deformación Plástica Aunque el principio del proceso es el mismo, se habla de troquelado cuando se genera el corte a lo largo de una línea cerrada para separar la pieza del material circundante, y se habla de punzonado cuando el material cortado es el que se desecha y el que permanece es la pieza deseada. Troquelado Punzonado

59 Holgura entre matriz y punzón

60 Troquelado Diferentes cintas en donde se observan las variadas etapas de proceso que se pueden tener en un troquel progresivo

61 Manufactura I Semestre de septiembre de 2016 Procesos de Deformación Plástica Troquel progresivo abierto. Se puede observar que para facilitar su maquinado éste se estructuro en 3 secciones, las cuales son montadas al final en el portatroquel. Del lado izquierdo se observa una cinta en que se muestran las diferentes etapas del procesamiento

62 Troquel progresivo y cinta en donde se observan las diferentes etapas del troquelado Manufactura I Semestre de septiembre de 2016 Procesos de Deformación Plástica

63 Manufactura I Semestre de septiembre de 2016 Procesos de Deformación Plástica Se trata de un proceso de conformado mecánico en frío en el cual el material, generalmente acero, se deforma plásticamente por la acción de un fluido a muy alta presión. A la presión hidrostática aplicada se le adicionar una carga axial. Los materiales que más comúnmente son procesados por este método son; aceros al carbono, aceros inoxidables, cobre y sus aleaciones tales como los latones, aluminio y sus aleaciones. En general se trata de materiales con buena ductilidad.

64 Trabajo en Frío Hidroformado Manufactura I Semestre de septiembre de 2016 Procesos de Deformación Plástica El hidroformado se realiza a lámina y a tubo. Para el hidroformado se requiere de una matriz con la forma externa de la pieza a producir; la cual instala en una prensa. En el caso de tubos la presión se aplica en el interior de éste una vez que la prensa ha cerrado las semimatrices. Ventajas Reducción del peso, mediante la disminución de las soldaduras y sustituyendo piezas fundidas o estampadas. En el caso de utilizar fundición se reduce el peso. Para el estampado se pueden producir piezas más complejas.

65 Trabajo en Frío Hidroformado Manufactura I Semestre de septiembre de 2016 Procesos de Deformación Plástica Ventajas Mejores propiedades fa fatiga que en el caso de utilizar soldadura. Al reducir la recuperación elástica se pueden tener tolerancias más precisas. Mejores propiedades mecánicas en general El proceso evita deformaciones plásticas localizadas, por consecuencia fracturas durante el formado; así también evita el colapso de tubos durante su deformación a flexión. Por este método se puede reducir el número de piezas, lo que disminuye tiempo y costo. Permite reducir los desechos.