FORJADO

21 DEFORMACIN VOLUMETRICA EN EL TRABAJO DE METALES

1 - LAMINADO

Es un proceso de deformacin por el cual el espesor del material se reduce mediante fuerzas de compresin ejercidas por rodillos opuestos. Los rodillos giran para jalar del material de trabajo y simultneamente apretarlo entre ellos.

La mayora del laminado se realiza en caliente debido a la gran deformacin requerida. Los productos estn generalmente libres de esfuerzos residuales y sus propiedades son isotrpicas. Las desventajas son que el producto no puede mantenerse dentro de las tolerancias adecuadas, y la superficie presenta una capa de oxido caracterstica.

El laminado en fro hace mas resistente al material y permite unas tolerancias mas estrechas del espesor. Adems la superficie del material queda libre de incrustaciones de oxido.

La fabricacin de acero representa la aplicacin ms comn de las operaciones de laminacin.

MPProductos

Lupia 15x15cmPerfiles

Plancha 4x28cmPlacas, laminas y Rollos

Tocho 4x4cmBarras y Varillas

Laminado plano y su anlisis

Draft:

d = t0 - tf

Draft Maximo: dmax = R

Reduccin:

Adems de reducir su espesor, el laminado incrementa el ancho del material.

Conservacin de la masa:

Vinicial = Vfinal(t0.w0.L0 = tf.wf.Lf

Como el flujo es continuo(cambia la velocidad del material

(t0.w0.v0 = tf.wf.vf)

Los rodillos entran en contacto con el material de trabajo a lo largo de un arco definido por el ngulo Punto neutro o de no deslizamiento: punto del arco de contacto donde la velocidad de la lmina es igual a la tangencial del rodillo.

Deslizamiento hacia delante:

El esfuerzo real experimentado por el trabajo de laminado se basa en el espesor del material antes y despus del laminado

= ln (t0/tf)

Se puede usar la ecuacin de deformacin real para determinar el esfuerzo de fluencia promedio Yf aplicado al material de trabajo en el laminado plano.

Fuerza de laminado (para mantener la separacin de los rodillos):

w: ancho del material

Debe hacerse en 2 partes: a cada lado del punto neutro

Existe una aproximacin para calcular F:

con

y

Para llegar a ella se supone:

1. F tiene solo componente vertical

2. Se considera la tensin constante e igual a

3. L se calcula en forma aproximada con la formula de arriba

Torsin: T ( 0,5.F.L

L: long del arco de contacto

Potencia: P = .T = 2.n.F.L

Analizando las ecuaciones se ve que la fuerza y potencia pueden reducirse si:

1. Se lamina en caliente, para reducir la resistencia y endurecimiento

2. Reduccin de draft en cada paso

3. Usar un menor radio de rodillo R

4. Reducir la velocidad de laminacin n

Laminado de perfiles

El proceso se realiza pasando el material de trabajo a travs de rodillos que tienen impreso el reverso de la forma deseada. Se aplican los mimos principios que en el laminado plano. Los rodillos laminadores son ms complicados y el material requiere una transformacin gradual a travs de varios rodillos.

Molinos Laminadores

El molino de laminacin bsico consiste en dos rodillos opuestos y se denomina molino de dos rodillos. El molino reversible permite la rotacin de los rodillos en ambas direcciones, de manera que el trabajo puede pasar a travs en cualquier direccin.

En la configuracin de tres rodillos, hay tres rodillos en una columna vertical y la direccin de cada rodillo permanece sin cambio. En este caso, el mecanismo se vuelve ms complicado debido a la necesidad de subir y bajar el material.

Como indican las ecuaciones, al reducir el dimetro de los rodillos, la longitud de contacto se reduce y esto conduce a fuerzas ms bajas y menor momento de torsin => menor potencia. En los molinos de cuatro rodillos se usan dos molinos de dimetro menor para hacer contacto con el trabajo y dos rodillos detrs como respaldo para que los molinos de contacto no se desformen debido a los esfuerzos. Otra configuracin con el mismo propsito es el molino de racimo.

Por ultimo, frecuentemente se utilizan molinos en tndem para aplicar etapas de formado consecutivas.

Otras operaciones de laminado

Laminado de anillos: lamina las paredes gruesas de un anillo para obtener anillos de paredes mas delgadas y de mayor dimetro. No se limita solo a secciones rectangulares.

Laminado de cuerdas(roscas): se usa para formar cuerdas en partes cilndricas mediante laminacin entre 2 dados (pernos y tornillos).

Laminado de engranajes: es similar al de cuerdas. Se usa en la industria automotriz.

Perforado de rodillos: como usa dos rodillos opuestos entra en la clasificacin de los procesos de laminado. Se basa en el ppio que al comprimir un slido cilndrico sobre su circunferencia se desarrollan altos esfuerzos de tensin en su centro. Si la compresin es lo suficientemente alta, se puede formar hasta una grieta, por donde un mandril se encarga de realizar el perforado, controlando el tamao y acabado de la deformacin. Esto se aprovecha para el perforado de tubos rotatorio y proceso de Mannesmann.

2- FORJADO

El forjado es uno proceso de deformacin que comprime el material de trabajo entre dos dados usando impacto (martinete) o presin gradual (prensa de forjado) para formar la parte.

En el forjado en dado abierto el trabajo se comprime entre dos dados, permitiendo que el trabajo fluya sin restricciones en una direccin lateral.

En el forjado en dado impresor, las superficies del dado contiene una forma o impresin que se imparte al material de trabajo durante la compresin restringiendo significativamente el flujo del metal, La parte del metal que fluye mas all del dado impresor forma la rebaba.

En el forjado sin rebaba, el dado restringe completamente el material dentro de la cavidad y no se produce rebaba excedente. Es necesario controlar estrechamente el volumen inicial de la pieza.

Forjado en dado abierto (recalcado)

Si el forjado se lleva a cano en condiciones ideales y sin friccin:

Fuerza sin abarrilamiento:

F = Yf.A

A: rea de la seccin transversal de la parte.

El rea A, se incrementa continuamente al reducirse la altura durante la operacin. EL esfuerzo de fluencia Yf se incrementa tambin como resultado del endurecimiento por trabajo en fri. En una operacin real, el efecto de la friccin del material contra la superficie de los dados, produce el fenmeno denominado abarrilamiento.

La fuerza alcanza su valor mximo al final de la carrera, donde el rea y el esfuerzo de fluencia son mximos.Fuerza con abarrilamiento:F = Kf.Yf.A

El abarrilamiento es ms pronunciado si el trabajo se realiza en caliente.

Al aumentar la relacin D/h el efecto aumenta tambin (mayor interfase dado-trabajo)

El recalcado produce formas rudimentarias que necesitan operaciones posteriores para refinar sus dimensiones y geometra final.

Dentro de las operaciones de dado abierto, se incluyen:

Forjado con dados convexos

Forjado con dados cncavos

Forjado por secciones (o incremental)

Forjado con dado impresor(o cerrado)

AL cerrarse el material fluye ms all de la cavidad del dado y forma una rebaba, que a pesar de que se recorta posteriormente, tiene una funcin importante: al friccionar se opone a que el material siga fluyendo hacia la abertura y de esta manera fuerza al material a permanecer en la cavidad.

Debido a la rebaba y a las formas mas complejas que se obtienen, las fuerzas en este proceso son considerablemente mayores y mas complejas que en forjado en dado abierto.

Fuerza de forjado:

F = Kf.Yf.ALa interpretacin es diferente:

- Kf es un factor que tiene en cuenta el incremento de la fuerza por ser formas complejas y sus valores estn tabulados.

- A es el rea proyectada de la parte, incluida la rebaba.

El forjado con dado impresor no tiene tolerancias estrechas de trabajo y frecuentemente se requiere de maquinado para lograr la precisin necesaria. Existe dentro de esta categora el forjado de precisin que permite obtener formas netas o casi netas.

Las ventajas sobre el maquinado completo son altas velocidades de produccin, conservacin del metal, mayor resistencia y orientacin favorable de los granos del metal.

Forjado sin rebaba

Se usa la misma formula que para forjado con dado impresor (estn los Kf correspondientes tabulados).

Requiere exigente control del volumen del material (si es < al de la cavidad, esta no se llena; si es > se daa el dado y/o la prensa).

Tiene como aplicacin especial el acuado.

Dados de forjado, martinetes y prensas

Martinetes de Forja: funcionan aplicando descarga por impacto en el material de trabajo. Frecuentemente se utilizan para el forjado con dado impresor y emplean cada libre o presin de aire o vapor (martinetes de potencia).

Prensas de Forjado: Aplican presin gradual. Las prensas mecnicas funcionan con excntricos o con manivelas. Las prensas hidrulicas emplean un cilindro hidrulico. Las prensas de tornillo aplican la presin mediante el ajuste de un tornillo. Estas dos ultimas tiene menores velocidades de produccin.

Dados de forjado: El diseo de los dados abiertos es generalmente trivial y su forma relativamente simple. Para dados impresores se aplican las siguientes consideraciones para el diseo:

Lnea de separacin: Su mala seleccin afecta el flujo de los granos

Ahusamiento (ngulo de salida): suele ser de 3 para el aluminio y de 5 a 7 para el acero.

Membranas y costillas: Una membrana es una porcin delgada del forjado que es paralela a la lnea de separacin y una costilla es una porcin delgada perpendicular a la lnea de separacin.

Filetes y radios de esquina: Los radios pequeos tienden a limitar el flujo de material.

Rebaba: Su formacin juega un papel crtico porque causa la acumulacin de presin dentro del dado y promueve el llenado de la cavidad.

Otras operaciones de forja y operaciones relacionadas

Recalcado y encabezamiento: Es una operacin en la cual una pieza cilndrica aumenta su dimetro y reduce su longitud. Es la operacin de forjado que ms partes produce. Se usa para formar las cabezas de los clavos, pernos y similares productos de ferretera. La longitud mxima que se puede recalcar es 3 veces el dimetro de la barra inicial, sino el metal se doble o arruga en lugar de comprimirse y llenar la cavidad adecuadamente.

Estampado con forja y forjado radial: son para reducir el dimetro de un tubo o barra slida. En el estampado son los dados los que giran al martillar el trabajo. En el forjado radial, el material gira mientras los dados permanecen en posicin fija martilleando.

Forjado con rodillos: se lo clasifica como proceso de forja, aunque use rodillos. Estos no giran continuamente, sino solo lo necesario para deformar la parte que se requiera.

Forjado Orbital: la deformacin ocurre por medio de un dado superior en forma de cono que presiona y gira simultneamente sobre el trabajo. Se reduce sustancialmente la carga requerida de la prensa.

Punzonado: se prensa una forma endurecida de acero, sobre un bloque se algn metal suave (puede ser acero). La gran ventaja es que es mas fcil maquinar la forma positiva (punzn o fresa) que erosionar la cavidad negativa. Se realiza en prensas hidrulicas debido a la gran presin requerida.

Forjado isotrmico en dado caliente: es mas costoso y se reserva para materiales difciles de forjar (titanio o superaleaciones). A veces se hace al vaco para evitar oxidaciones.

Recortado: se usa para remover la rebaba de la parte de trabajo en el forjado con dado impresor.

3- EXTRUSION

La extrusin es un proceso de formado en el cual es metal de trabajo es forzado a fluir a travs de la abertura de un dado para darle forma a su seccin transversal.

TIPOS DE EXTRUCCION

Extrusin directa Vs extrusin indirecta

En la extrusin directa un pistn comprime el material forzndolo a fluir a travs de una o ms aberturas en un dado al extremo opuesto de recipiente. En la extrusin directa existe una gran friccin entre la superficie de trabajo y la pared del recipiente. Esta friccin produce un incremento importante en la fuerza requerida en el pisn. Adems, este problema se agrava en caliente, por la presencia de oxido en la superficie del tocho (se resuelve con bloque simulado).

En la extrusin indirecta, el dado esta montado sobre el pistn (hueco), al penetrar el pistn, el material fluye en la direccin opuesta. En este caso no hay friccin en las paredes del recipiente. Sin embargo las limitaciones aparecen sobre todo por la dificultad de sostener el producto extruido tal como sale del dado (y si la forma extruida es slida, el pisn debe ser hueco por lo cual pierde rigidez).

Extrusin en fro Vs en caliente

El aluminio es por excelencia el metal que mas se trabaja por este proceso.

VentajasDesventajas

En CalienteImplica un calentamiento previo del tocho a una T mayor a la de cristalizacin

La lubricacin es clave( reducciones

( fuerzas del pisnNecesidad de calentar el tocho

En Fro( resistencia

Mejores tolerancias y acabados

Ausencia de xidos

Anlisis de la Extrusin

Hay que tener en cuenta que primero hay que deformar el tocho hasta que llene el contenedor

Relacin de extrusin o relacin de reduccin, esta se aplica tanto a la extrusin directa como indirecta.

A0: rea del tocho; Af: rea de la parte extruida

El valor de rx se puede usar para determinar el esfuerzo real en la extrusin dado que la deformacin ideal ocurre sin friccin y sin trabajo redundante

(solo para el calculo de )

De hecho la extrusin no es un proceso sin friccin, entre los mtodos propuestos se aplica la ecuacin emprica de Jhonson para estimar la deformacin de extrusin.

Ecuacin de Jhonson (considera la friccin)

Extrusin Indirecta:

Extrusin Directa:

Dados y Prensas de extrusin

Los factores importantes en un dado de extrusin son el ngulo del dado y la forma del orificio. Para ngulos menores el ares superficial del dado aumenta, as como tambin la friccin. Por otra parte un ngulo grande ocasiona mayor turbulenta del flujo del metal durante la reduccin. Es por esto que las ecuaciones de presin antes mencionadas estn aplicadas con un factor de forma Kf

Factor de forma:

1 < Cx/Cc < 6

Cx: permetro de la seccin transversal extruida

Cc: permetro de una seccin circular de igual rea que la extruida

Fuerza de extrusin (directa e indirecta):F = p.A0Potencia requerida: P = F.v

v: velocidad del pisn

Otros procesos de Extrusin

Extrusin por impacto: altas velocidades y carreras cortas. Se usa para componentes individuales (latas, dentfricos, desodorantes, etc). Puede ser directa, inversa o combinacin de ambas.

Extrusin hidrosttica: puede ser a T ambiente o mayores. Se evita la interfase tocho-contenedor, por lo que disminuye la friccin. La presin hidrosttica aumenta la ductilidad del material, por lo que esta alternativa permite extruir metales frgiles para la operacin convencional. La desventaja es que hay que preparar inicialmente al tocho para que acte como sello para evitar que el fluido se escape.

Defectos en los productos extruidos

Reventado ventral: grieta interna como resultado de los esfuerzos de tensin a lo largo de la lnea centra de la parte de trabajo. El movimiento de material es mas grande en las regiones exteriores, por lo que el material del centro se estira.

Tubificado (bolsa de contraccin): ocurre en extrusin directa. Se corrige interponiendo un bloque simulado de menor dimetro del tocho entre el tocho y el punzn.

Agrietado Superficial: Este defecto es resultado de las altas temperaturas, agrietando la superficie cuando la velocidad de extrusin es demasiado alta.

4 ESTIRADO DE ALAMBRES Y BARRAS (TREFILADO)

El estirado es una operacin donde la seccin transversal de un abarra o varilla se reduce al tirar del material a travs de una abertura de un dado.

La diferencia entre alambres y barras es el tamao del material que se procesa. Esto adems permite que el estirado de barras sea un proceso que se opera tipo lote; mientras que el estirado de alambre se puede procesar en forma continua.

Reduccin de rea:

Draft:

d = D0 -DfAnlisis del estirado

Mecnica del estirado: si no ocurre friccin, la deformacin real seria:

Adems de la relacin entre reas, el ngulo y el coeficiente de friccin tiene influencia en el esfuerzo de estirado por lo tanto se considera segn la ecuacin de Shey

Esfuerzo Ideal:

Esfuerzo Real:

Factor de correccin por friccin

D: dimetro promedio del trabajo

Lc: long. de contacto del trabajo con el dado

Fuerza del estirado:F = Af.d

Reduccin mxima por paso

Si la reduccin es lo suficientemente grande, los esfuerzos del estirado exceden la resistencia a la fluencia del material. Cuando esto pasa el alambre se alarga en ves de comprimirse.

Suponiendo:

Metal perfectamente plstico (n=0) (

No hay friccin

No hay trabajo redundante

Igualando el esfuerzo de estirado con la resistencia a la fluencia del material:

(max=1(ln(A0/Af)=1(A0/Af = e = 2,7183

(

Reduccin terica mxima posible

Esta no tiene en cuenta:

1. Efectos de friccin y trabajo redundante (( rmax)

2. Endurecimiento por deformacin (( rmax)

En la practica los valores de rmax son bastante menores (0,50 para barras y 0,30 para alambres)

Practica del estirado

En general es una operacin de trabajo en fro. Se usa mas para secciones redondas, pero tambin puede estirar otras formas.

Es un proceso comercial importante. Produce cables, alambres (para todo tipo de uso), ganchos, clavos, tornillos, remaches, resortes, etc.

VENTAJAS:

1. Estrecho control dimensional

2. Buen acabado superficial

3. Propiedades mecnicas mejoradas

4. Adaptabilidad a la produccin econmica

Equipos de estirado

El estirado de barras se realiza en maquinas llamadas banco de estirado que consiste en una mesa de entrada, un bastidor del dado, una corredera y el armazn de salida. La corredera se usa para jalar el material a travs del dado de estirado.

El estirado de alambres se hace con maquinas estiradotas que contienen mltiples dados, separados por tambores de acumulacin. Cada tambor esta motorizado. Algunas veces se requiere recocido del alambre entre grupos de dados.

Dados de estirado

Se distinguen cuatro regiones en el dado:

1. Entrada

2. Angulo de aproximacin Es donde ocurre el proceso de estirado (6 20)

3. Superficie del cojinete (campo): Determina el tamao final del material

4. Relevo de salida: 30

Preparacin del Trabajo

Antes del estirado el material inicial debe preparase adecuadamente:

1. Recocido

2. Limpieza

3. Afilado

Estirado de tubos

El proceso de estirado de tubos puede usarse para reducir el dimetro o el espesor de la pared de tubos. El estirado se puede llevar a cabo con o sin mandril. El mtodo mas aplicado es sin.

El problema que surge cuando el tubo se estira sin utilizar mandril es que se carece de control sobre el dimetro interno. Es por esto que se puede emplear un mandril fijo o un tapn flotante para controlar dicha dimensin.

EMBED Equation.3

a = 0,8

b = 1,2 a 1,5

12

_1159696617.unknown

_1159716393.unknown

_1169283078.unknown

_1169291559.unknown

_1169560031.unknown

_1169297152.unknown

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