010 MPM Cap7 Final

CAPTULO 7

TRABAJO EN FRO DE LOS METALES

7.1 GENERALIDADES

Algunas piezas metlicas producidas por deformacin plstica son llevadas a su forma final por

trabajo en caliente, en general estos mtodos representan procesos de formado primario. Los

procesos del trabajo en fro involucran en su mayora mtodos para producir partes que

posteriormente se integrarn a una pieza terminada, por lo anterior se les denomina como

operaciones secundarias o de fabricacin. Por el incremento de la ductibilidad, inherente a la

disminucin de la temperatura, estos procesos no slo se podrn efectuar por cargas de

compresin, como en las operaciones de trabajo en caliente, sino tambin por compresin

indirecta, traccin biaxial, corte y doblez.

Cuando el proceso demanda grandes porcentajes de deformacin es necesario considerar

recocidos intermedios, como por ejemplo en la fabricacin de chapas delgadas o alambres de

dimetros pequeos.

El trabajo de la chapa metlica merece mencin aparte ya que estos procesos son comnmente

utilizados para la fabricacin de una gran cantidad de los objetos, como la carrocera de un

automvil, gabinetes para aparatos electrodomsticos (estufa, refrigerador, lavadora), perfiles

producidos a partir de cintas de metal, mobiliario de oficina, etc. Para dar una idea de lo anterior se

tiene que un 30% del acero producido, se utiliza en forma de lminas o placas, adems es

conveniente recordar que no nicamente la hoja de acero se emplea para los fines antes

mencionados.

Caractersticas de los procesos de trabajo en fro

Los procesos de trabajo en fro se caracterizan por:

a) Mejor acabado superficial

b) Tolerancias dimensionales ms estrechas

MODELADO DE PROCESOS DE MANUFACTURA

192

c) Cambio en las propiedades fsicas (se pueden ajustar las propiedades mecnicas de

acuerdo con las necesidades del producto)

d) Mayor capacidad para ser deformados por cargas de traccin.

e) Mayor consumo de energa para la deformacin

f) Anisotropa

g) Necesidad de recocidos intermedios, en el caso de grandes porcentajes de deformacin

Despus de la etapa en caliente el material deber decaparse, esto es, limpiar la superficie

mediante la eliminacin de la capa de xido, antes de proceder a su deformacin, ya que dichas

escamas limitarn la vida del herramental y producirn efectos muy negativos en el acabado y

tolerancias de las piezas producidas.

Clasificacin de los procesos efectuados en fro

Una forma de agrupar los procesos en fro es de acuerdo con la operacin realizada; esto es:

TABLA 7.1 Clasificacin de los procesos en fro

Estirado Compresin Doblez Corte o

desprendimiento

Procesos de aplicacin particular

Barras Tubos Alambre Rechazado Rechazado de

potencia

Embutido con

planchado

Acuado Laminado Calibrado Forja en fro Formado de roscas Extrusin 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

Formados por alta energa Formado superplstico

CAPTULO 7. TRABAJO EN FRO DE LOS METALES

193

7.2 ESTIRADO DE ALAMBRE Y TUBO

Los procesos de estirado estn comprendidos dentro de los de compresin indirecta, ya que

aunque la carga aplicada para la deformacin es de traccin, sta provoca esfuerzos de

compresin, que son en s los responsables de la deformacin.

En alguna poca entre los siglos VI y X, los venecianos produjeron alambre de materiales suaves

al obligar a la materia prima a pasar por orificios de dimetro menor al de ella; dicha operacin se

efectuaba a mano, por lo que su aplicacin fue limitada. Se continu la produccin de "alambre"

por el mtodo tradicional en la poca, que era mediante el corte de cintas angostas a partir de

hojas previamente martilladas.

FIGURA 7.1 Banco manual para estirado de alambre a principios del siglo XIX

Estirado de alambre

La secuencia de fabricacin es:

Laminado en caliente decapado trefilado

Alambrn (recocidos intermedios)

En este mtodo la seccin del material se reduce, jalndola a travs de un dado (figura 7.2),

producido generalmente de carburo de tungsteno. El material es ahusado en un extremo de tal

manera que pueda pasar a travs del orificio del dado, para as sujetarlo con una mordaza y

proceder a la operacin (figura 7.3).


194

FIGURA 7.2 Dado de estirado

Al equipo utilizado se le conoce como banco de estirado. La operacin puede ser intermitente,

esto es, que cuando se termina la reduccin de todo el rollo de material, se pasa ste a la

siguiente etapa; lo ms usual es trabajar en serie o cascada, que es cuando el material pasa a

travs de varios dados de manera secuencial (figuras 7.3 y 7.4).

FIGURA 7.3 a) Banco de estirado accionado por varios motores, b) Banco de estirado en el cual

varios de los pasos de reduccin son accionados por un solo motor


195

FIGURA 7.4 Diferentes disposiciones para un banco de estirado (figura superior banco

de estirado de 5 etapas, inferior banco de estirado de 7 etapas)

Para lograr lo anterior, la velocidad de los tambores se deber incrementar de acuerdo con la

reduccin sufrida por el material, lo cual se logra de las siguientes maneras:

Cada tambor de enrollado est accionado por un motor de CD, con un control de velocidad que

permitir ajustarla de acuerdo con la sincrona que se requiera. Dicho procedimiento es costoso,

tanto en el caso de que se empleen motores de CD o de CA con variador de frecuencia, por tal

motivo y con la finalidad de superar esta desventaja, se emplean mquinas accionadas por un


196

solo motor (figura 7.3b). Se tiene una serie de escalonamientos, cuyos dimetros estn

determinados por la velocidad perifrica necesaria, la que a su vez se determina por la reduccin

efectuada.

En la prctica es casi imposible lograr la relacin precisa del dimetro del escalonamiento con la

reduccin. Esto provocar entonces deslizamiento del material sobre el tambor y por lo tanto

friccin, dando como resultado el calentamiento del material. Es conveniente entonces que los

conos se encuentren inmersos en un bao de aceite. Independiente de dicho fenmeno, se

genera una gran cantidad de calor al fluir el material a travs del dado, y al ser la carga de

estirado, funcin del coeficiente de friccin; es conveniente entonces emplear recubrimientos para

disminuir el rozamiento, y mejorar a la vez el acabado superficial del producto, en este caso se

denomina al proceso como trefilado en seco. En otros casos el dado se encontrar inmerso en el

lubricante, y el proceso se conoce como estirado en hmedo.

Para producir barras (dimetro mayor de 6 mm), se utilizan mesas o camas de estirado (figura 7.5)

que pueden tener hasta ms de 30 m de carrera; en este caso son posibles velocidades

comprendidas entre los 10 y 30 m/min. Dichos equipos llegan a tener una capacidad an mayor a

las 130 toneladas de carga.

FIGURA 7.5 Mesa de estirado

Las mquinas de dados mltiples trabajan a velocidades mayores que las indicadas en el caso de

estirado de barras, pueden ser de hasta 600 m/min en el caso de estirado de alambre de acero y

de 2000 m/min para no ferrosos.


197

Dado de estirado

En el proceso de estirado el elemento fundamental es el dado (figura 7.6). Consta de dos partes:

el dado o boquilla de estirado, que se produce de carburo de tungsteno para dados grandes o de

diamante para pequeos dimetros; y la cubierta o soporte, que se produce de acero y en el caso

de dados pequeos tambin se puede fabricar de bronce. La seccin transversal del dado se

mostr en la figura 7.2.

FIGURA 7.6 Dado con su buje de soporte (izquierda), diversos dados de carburo de tungsteno (derecha)

Las partes en que se puede dividir la seccin del dado son:

CAMPANA O ENTRADA DEL DADO. Se disea de tal forma que el material arrastre lubricante

con l. Su forma propicia que la presin hidrosttica se incremente, permitiendo as el flujo del

lubricante.

CONO O ZONA DE APROXIMACIN. Su ngulo es determinante en la carga requerida para el

proceso y ser definido de acuerdo con las caractersticas del material. En esta zona el metal

choca contra su superficie y al ser arrastrado hacia la salida reduce su seccin transversal.

ZONA DE DESLIZAMIENTO O DE AJUSTE DE LAS DIMENSIONES. En esta zona el dimetro

permanece constante y en realidad no hay reduccin, pero s produce una carga apreciable

debida a la friccin. Su principal funcin es la de permitir reajustes del dado, ya que ste sufre un

apreciable desgaste; si la longitud de la zona fuera cero no se podra recalibrar el dado, ya que al

hacerlo se perderan las dimensiones. Por tanto, la vida til del dado est en funcin de la


198

extensin de esta zona, por otra parte, si fuese demasiado extensa podra provocar la fractura del

material por exceso de carga. En la prctica su longitud es de aproximadamente 2/3 del dimetro

del dado.

SALIDA. Su conicidad permite la recuperacin elstica del material, asimismo, reduce la

posibilidad de desgaste cuando el dado est mal alineado.

El ngulo del dado, de acuerdo con lo que se indica en el inciso (c), es determinante en la carga

requerida. El ptimo ser aquel que minimice la energa necesaria para la deformacin, la cual

est determinada por tres componentes:

a) Trabajo de deformacin. Est definido por la deformacin inherente al proceso.

b) Carga de friccin. Depende del rea de contacto y por tanto de la conicidad del dado.

Un ngulo de entrada ms pequeo significa un rea de contacto mayor, considerando

una reduccin de referencia.

c) Trabajo redundante. Es la energa extra necesaria para doblar primero en una direccin

determinada las fibras del material y despus regresarlas a la direccin de flujo. Es

evidente que este trmino ser mayor cuando el ngulo del dado se incremente.

FIGURA 7.7 Efecto del ngulo del dado sobre la carga de estirado

El ngulo ptimo puede ser determinado a travs de un anlisis del lmite superior. En general, se

considera que a mayor resistencia del material, ms pequeo es el ngulo ptimo.


199

TABLA 7.2 ngulo ptimo de algunos materiales

Metal ngulo ptimo

Aluminio 24

Cobre 12

Acero 6

Defectos del material

Las fallas del producto pueden atribuirse bsicamente a lo siguiente:

a) Defectos del material de partida, como podran ser grietas o fracturas.

b) Limpieza inadecuada. El material est todava recubierto con escamas de xido que producen

desgaste excesivo del dado y ralladuras sobre la pieza.

c) Mal acabado del dado. Produce rayas longitudinales en el producto.

La fractura del material es un caso extremo, en el que la carga de estirado supera la resistencia a

la traccin del material. Para una reduccin y conicidad fijas, esta posibilidad se incrementa con la

friccin.

Anlisis del proceso de estirado

El estirado de alambre, desde el punto de vista de su anlisis, es uno de los procesos de

conformado mecnico ms simples. El mtodo de anlisis se puede ir variando de acuerdo con la

complejidad y exactitud que se pretenda.

Presin de estirado considerando nicamente el trabajo de deformacin:

00Lne

f

A

A (7.1)

Este trmino no toma en cuenta ni la friccin ni tampoco el trabajo redundante.

Mediante el mtodo del planchn, esto es con base en el principio de conservacin de la cantidad

de movimiento, se puede determinar la carga requerida para el estirado de una barra de seccin

circular (figura 7.8):


200

FIGURA 7.8 Esfuerzos generados durante el estirado

De dicho anlisis se llega a:

00

11

Bf

e

AB

B A (7.2)

Considerando un material de seccin circular (alambre o barra)

2

00

11

Bf

e

DB

B D (7.3)

A partir de un anlisis similar, J.G. Wistreich propuso:

00 ln 1ef

AB

A (7.4)

En las ecuaciones anteriores no se tom en cuenta para su deduccin el trabajo redundante, ste

puede ser considerado a travs de un factor f, de acuerdo con:

*,f r

donde:

factor de trabajo redundante

* deformacin redundante o excedente, sta es mayor a la que corresponde al del metal que ha sido homogneamente deformado.


201

Este factor se obtiene de la grfica esfuerzo-deformacin. Para esto se sobrepone la grfica del

material que ha sido estirado a la del material recocido (figura 7.6). Sobre sta se determina la

deformacin homognea producida por el esfuerzo de cedencia que presenta el material estirado.

Un mtodo alternativo para lo anterior consiste en un anlisis a travs del mtodo del lmite

superior:

0 00 2

22 Ln cot 2 cot 1 Ln

3 sen

21

f f f

e

f

R R Lf

R R R

L

R

(7.5)

donde:

( )f Funcin del ngulo de entrada

L Longitud de contacto del dado

0R Radio del material de partida

fR Radio del alambre

Otra expresin menos complicada pero no menos vlida, que se desarrolla por el mismo mtodo

es:

002

1 Ln tansen 2 3

ef

Dm

D (7.6)

Donde:

m factor de friccin

2tan

3 representa el trabajo redundante

A partir del concepto de geometra de la zona de deformacin se puede tambin inferir acerca del

trabajo redundante, ya que est ntimamente ligado con el coeficiente delta, que representa al

cociente del espesor medio a la longitud de la zona de deformacin.

Para el estirado de alambre se tiene:

21 1 r

r (7.7)

Donde:

semingulo de entrada

r reduccin en el estirado


202

Para la mayora de las operaciones de estirado se emplean ngulos de 6 a 10 y reducciones

dentro del rango del 20%; con estas condiciones, delta toma valores de 2 a 3. Mayores valores de

dicho parmetro correspondern a reducciones ms pequeas y ngulos mayores. Del anlisis de

datos experimentales se ha concluido que el factor de trabajo redundante ( ) est relacionado

con el factor en la forma

1 2 0.84.4

C C (7.8)

El ngulo ptimo (ngulo al que corresponde con la mnima energa de estirado) se puede

expresar a partir del valor de delta segn:

1

2

4.91

Ln1

op

r

(7.9)

Estirado de tubo

Los tubos sin costura son producidos en caliente mediante extrusin o por perforado de barras

slidas y posteriormente por estirado con rodillos. Con frecuencia son acabados por estirado en

fro para mejorar sus propiedades mecnicas, garantizar mejores acabados y tolerancias ms

estrechas, reducir el espesor de su pared o a la vez reducir su dimetro.

ETAPAS DEL PROCESO

Lingote de fundicin Formado del tubo Decapado Estirado de la barra hueca

(previamente formada por extrusin, o perforado y estirado)

Dependiendo del dimetro y las caractersticas del producto, se podr estirar (figuras 7.9 y 7.10)

por cuatro mtodos: tres de ellos demandan el empleo de un punzn o mandril. Dichos procesos

son:

Estirado sin mandril. Se utiliza para dimetros mayores de 6 mm, cuando no se requiere calibrar

con precisin el dimetro interior. En este caso, los esfuerzos cortantes a la entrada y a la salida

del dado son ms intensos, la deformacin redundante es mayor y como consecuencia las


203

deformaciones por etapa necesariamente son ms reducidas que en aquellos mtodos que

empleen un mandril.

Estirado con mandril fijo. Se utiliza en el caso de tubos de mayor dimetro, evidentemente se

limita la longitud del tubo.

Estirado con mandril flotante. Permite el estirado de mayores longitudes. En este caso el mandril

es cnico a diferencia del utilizado en el caso anteriormente descrito que es cilndrico. Se puede

demostrar que si la carga debida a la friccin se reduce, se podrn obtener mayores

deformaciones por pasada. Un correcto diseo del mandril lograr reducciones por etapa de hasta

el 45%. Los principales inconvenientes del proceso se derivan de la dificultad para lograr una

adecuada lubricacin interior.

Estirado con mandril mvil. Los problemas de friccin interior con el mandril se podran solucionar

en el caso de utilizar uno de gran longitud que se desplace acompaando al tubo. Este mandril es

en realidad un alambre o barra, cuyo dimetro es igual al del interior que se pretenda para el tubo.

Para evitar problemas por soldadura debido a la presin y temperaturas inherentes al proceso, el

mandril se deber cubrir con un lubricante. A la salida el mandril se mueve con la misma velocidad

del tubo, donde sta es evidentemente mayor que la del material que se encuentra confinado en el

dado; esto provoca una carga de friccin en la interfase entre el mandril y el tubo, la cual se

contrapone a la existente entre el dado y el material, reduciendo as la carga de estirado.

FIGURA 7.9 Estirado de tubo (a) con mandril mvil (b) con mandril fijo

(c) con mandril flotante (d) sin mandril


204

FIGURA 7.10 En la figura superior se muestra esquemticamente el estirado con mandril flotante,

imagen inferior estirado con madril mvil y posterior suajeado

Una de las desventajas del proceso es la necesidad de retirar el mandril. Para efectuar esto,

deber aumentarse ligeramente el dimetro del tubo, lo cual se hace normalmente por rolado.

FIGURA 7.11 Mesa hidrulica de estirado para tubo


205

Anlisis de las cargas que se presentan durante la operacin de estirado

En el caso de estirado sin mandril, el anlisis es similar al empleado para barra o alambre, con la

diferencia que se considera deformacin plana (figura 7.12), esto en virtud del espesor y

condiciones de deformacin.

FIGURA 7.12 Esfuerzos generados en la operacin de estirado de tubo

Para poder reducir el espesor del tubo, los ngulos del dado y del mandril no sern iguales,

debiendo por tanto ser mayor el primero. Adems no existe razn alguna para que los coeficientes

de friccin entre mandril y material, y entre ste y el dado sean iguales.

Las fuerzas que se presentan sobre el elemento diferencial analizado constan de cinco

componentes:

I) Debida al esfuerzo longitudinal

x x xd h dh D hD

II) Por la reaccin del dado

tanp Ddx

III) Por la reaccin del mandril

tanp Ddx

IV) Por la friccin sobre el dado

1p Ddx

V) Por la friccin sobre el mandril

2 p Ddx


206

Considerando el equilibrio de fuerzas:

1 2tan tan 0x x xd h dh D hD p Ddx p Ddx p Ddx p Ddx

tan tandh dx

sustituyendo y reordenando

1 2

0tan tan

x x

pdhhd dh pdh

Haciendo un cambio de variable, tal que:

1 2*tan tan

B

entonces:

1 * 0x xhd dh pdh B

Considerando el criterio de cedencia de Tresca, se tiene:

1 3 0

1 x

3 p

por lo tanto

0x p

Reordenando y sustituyendo se tiene:

1x xhd p B dh

*0 1x x xhd B dh

* *0 1x xhd B B dh

* *0 1

x

x

d dh

hB B

* *0 1

0xxB Bd

dh h

la solucin de la ecuacin es de la forma: 0

*

* * *00

1

1

e fhx

hx

B d dh

hB B B


207

**

0 *0

11

Bf

e

hB

hB

donde: e representa el esfuerzo requerido para el estirado de tubo.

En caso de utilizar un mandril mvil, el anlisis difiere del que aqu se presenta, ya que la friccin

en la interfase mandril-material se opone a la que se presenta sobre el dado. Por lo tanto, para un

mandril mvil est dado por:

* 1 2

tan tanB

En el caso de que los dos coeficientes de friccin sean iguales, la ecuacin diferencial es:

0x xhd p dh

lo cual al integrar queda como:

00 lne

f

A

A

Expresin que representa a la carga para el caso de que no exista friccin. Si el coeficiente de

friccin entre el mandril y el material excede del que se presenta entre el material y el dado,

entonces el valor de B* es negativa y por tanto el esfuerzo de estirado resulta menor que para el

caso ideal sin friccin.

Otros mtodos de estirado

Las operaciones de estirado no solo se relacionan con alambre y tubo, tambin se debe de

considerar su aplicacin en productos planos (lmina), para sta existen los procesos de

rechazado y de embutido y estirado. En el proceso de rechazado (figura 7.13) la lmina es

obligada a deformarse sobre un mandril, el cual se encuentra rotando, esto por efecto de la

presin ejercida por una o varias herramientas romas (sin filo) [figura 9.16].

Este mtodo de conformado, de acuerdo con la presin ejercida puede presentar una reduccin

sensible en el espesor de la lmina, tenindose que el flujo se produce por cortante razn por la

cual es considerado como un proceso de formado por corte. Esto es si la carga ejercida por la

herramienta es lo suficientemente elevada, los esfuerzos no solo sern suficientes para doblar la

lmina sobre el mandril sino permitirn tambin reducir el espesor. En el caso en cuestin, si se

trata de formar piezas cnicas la relacin de espesores (inicial y final) estar en funcin del


208

semingulo del cono de acuerdo con la expresin 0 senft t ; si es menor de 30o

se

requerirn dos etapas para concluir el formado, teniendo un recocido intermedio entre stas.

El rechazado de potencia se refiere a la aplicacin de presin sobre la lmina a doblar sobre el

mandril por efecto de algn ingenio mecnico, particularmente las herramientas son accionadas

por pistones hidrulicos (figuras 7.13 y 7.14).

FIGURA 7.13 La operacin de rechazado se realiza al empujar la lmina mediante una

o varias herramientas sin filo, sobre el mandril; el cual se encuentra girando

FIGURA 7.14 Torno de CNC para rechazado


209

FIGURA 7.15 Ejemplos de formado mediante rechazado

FIGURA 7.16 Rechazado por corte. En este caso existe

una reduccin apreciable del espesor


210

El rechazado permite formar superficies de revolucin y, por tanto, cuerpos huecos a partir de

chapa metlica, pudindose aplicar tanto a ferrosos como no ferrosos. Durante mucho tiempo se

utiliz madera y bronces para la produccin del mandril, se empleaba una especie de torno

sencillo (figura 7.17) conocido como torno de rechazado para hacer rotar la pieza de lmina

mientras esta era empujada contra el mandril por la herramienta. En la actualidad, el proceso se

realiza mediante pistones hidrulicos pudiendo todo el sistema programarse para obtener cuerpos

de revolucin ms complejos (mquinas CNC, figura 7.14).

FIGURA 7.17 Descripcin esquemtica del proceso de rechazado; lado derecho manual, lado izquierdo de

potencia, en la vista superior se aprecia una reduccin sensible de espesor, mientras que en la

inferior el espesor prcticamente se mantiene

7.3 FORMADO POR COMPRESIN

Existen diversos mtodos de formado por compresin. Varios de ellos son caractersticos del

formado en fro, mientras que otros son propiamente continuacin de mtodos que ya han sido

vistos previamente, como forja y laminacin y la extrusin (por impacto).


211

Operaciones de forja

CALIBRADO. Es la forma ms simple de forja en fro, que consiste en una ligera operacin de

compresin de una pieza forjada con lo que se obtienen tolerancias cerradas y buenos acabados.

SUAJEADO. Este trmino se usa para denominar operaciones de forja; con frecuencia se refiere

al caso de aplicar cargas de compresin (figura 7.18), y permite que el material se deforme

libremente perpendicular a la fuerza aplicada.

El suajeado rotatorio (figura 7.19); esta operacin consiste en reducir el dimetro sobre parte del

largo de una varilla, barra o tubo. El suajeado rotatorio se hace en un par de dados cnicos. Los

dados se abren y cierran con rapidez, en tanto que la pieza de trabajo se gira y es alimentada a lo

largo. Las quijadas se insertan en la ranura de la flecha, al girar se provoca el desplazamiento

debido a los rodillos que se encuentran alrededor, y se provoca la deformacin. La pieza de

trabajo puede alimentarse a las quijadas en forma mecnica o a mano. Otra forma de suajeado

puede ser empujando un tubo dentro de un buje, en tanto que uno de ellos gira. Puede usarse un

anillo de bolas en una jaula en lugar de un buje. Los tubos pueden suajearse en un mandril para

soportar o para producir una forma interna o un rbol ranurado.

FIGURA 7.18 Diversas piezas producidas por forja en fro


212

FIGURA 7.19 En la imagen de la izquierda se muestra esquemticamente la operacin de una

suajeadora rotatoria, en la imagen del centro se presenta un niple producido por suajeado;

mientras que en la de la derecha se observa un equipo hidrulico para suajeado

CABECEADO EN FRO O RECALCADO. El formado de cabezas de pernos, remaches, tornillos y

otras piezas similares hechas en una mquina de cabeceado en fro es otra forma de estampado.

La barra del material previamente calibrado es alimentada por rodillos enderezadores hasta un

tope, y entonces se corta y se transporta a uno de los cuatro tipos de dados cabeceadores. En la

manufactura de clavos, la cabeza se forma antes del corte de alambre.

Se dispone de mquinas productoras de tornillos que los terminan completamente, antes de

abandonar la mquina. Las operaciones consisten en cortar una barra sobredimensionada, extruir

el cuerpo, cabecearlo, recortarlo, aguzarlo y laminarle la rosca. Todas las operaciones se llevan a

cabo simultneamente, con producciones mayores a 100 piezas por minuto.

ACUADO. Se trata de una operacin de forja en fro (figura 7.20), la cual se caracteriza por su

reducida deformacin restringida a la produccin de detalles finos en la superficie de la pieza sin

que exista flujo lateral; el ejemplo ms sencillo es el grabado de las monedas. Para lograr la

formacin de los detalles las presiones se pueden elevar en forma significativa (se alcanza hasta

del orden de 1400 MPa). El material utilizado para el acuado (cospel) primero es troquelado a

partir de hojas metlicas de un espesor aproximadamente igual al de las monedas a producir,

estas hojas a su vez provienen de un proceso de laminado en fro.


213

FIGURA 7.20 La aplicacin ms usual del acuado es la produccin de monedas

REPUJADO. Es una operacin de deformacin por compresin la cual no demanda las altas

presiones inherentes al acuado. El punzn es usualmente con relieve, de tal forma que slo toca

la parte de la lmina que est siendo trabajada. Este proceso se emplea en la produccin de

medallones y elementos decorativos y en general en grabado sobre lmina delgada. Se considera

que el espesor del material no vara con la deformacin. Una variante del proceso es el grabado o

repujado rotatorio.


214

REMACHADO Y ESTACADO. En realidad ambos mtodos se pueden agrupar dentro de las

operaciones de ensamble. El remachado (figura 7.21) se refiere a la formacin de la cabeza de un

remache slido o a la formacin de un reborde para el caso de uno que fuera hueco. El estacado

tiene similar finalidad de la del remachado, en este caso el elemento que se va a ensamblar se

recalca en uno de sus extremos, de tal manera que la deformacin produce el ensamble de los

elementos.

FIGURA 7.21 Operaciones de remachado


215

Formado por rodillos

En este proceso, el formado de la cinta se obtiene al hacerla pasar a travs de una serie de

parejas de rodillos que la forman progresivamente (figura 7.22), para al final ser soldada por

resistencia. El proceso es continuo, con velocidades de hasta 100 m/min. El nmero de estaciones

de rodillos depende de la geometra del perfil que se va a formar.

El equipo est constituido tanto por rodillos que trabajan en eje horizontal como vertical. Tambin

cuenta con rodillos gua y enderezadores al final del proceso. Este es un proceso de alta

produccin, ya que solamente as se justifica el alto costo del herramental.

FIGURA 7.22 Formado por rodillos de perfiles tubulares

FIGURA 7.23 En la imagen de la izquierda se muestran diferentes perfiles producidos por rodillos,

a la derecha se muestra un perfil al salir de una pareja de rodillos


216

ROLADO. Se trata de otro mtodo de formado de hojas o cinta de metal. En esta operacin el

metal se curva para obtener piezas cilndricas. La mquina est formada por tres rodillos del

mismo dimetro, dos se mantienen en posicin fija y el otro se puede desplazar axialmente para

ajustar el radio de curvatura de la hoja. Es evidente que a mayor distancia entre los planos que

contienen los ejes de rotacin de los rodillos, se incremente el dimetro del elemento. Aunque no

es usual la operacin tambin se puede efectuar con slo dos rodillos, de los cuales el inferior est

revestido de una gruesa capa de hule; despus se determina el radio de curvatura por la presin

ejercida por el rodillo superior.

Existen roladoras de muy diversos tipos: las accionadas manualmente, que se pueden emplear

para hojas desde calibre 16, hasta mquinas accionadas mecnicamente que pueden rolar placas

de ms de 25 mm de espesor (figura 7.24).

FIGURA 7.24 En la imagen de la izquierda se muestra esquemticamente el proceso de relado de

chapa metlica; a la derecha se presenta una roladora mecnica para placa de 10 a 35

mm de espesor y hasta 4 m de ancho

Existen otros mtodos de formado por flexin, como puede ser mediante dobladoras manuales

(figura 7.25a), las cuales se pueden utilizar para lminas de acero de hasta 4.9 mm de espesor

(calibre 6). Las dobladoras de cortina operan de acuerdo con lo indicado en la figura 7.25b, stas

permiten (de acuerdo con los herramentales a disposicin) generar perfiles ms complejos. En la

actualidad existen prensas de CNC.


217

FIGURA 7.24 a) Dobladora de lmina. b) Dobladora de cortina. La mquina es CNC electro-hidrulica, puede

tener hasta 12 m de longitud de la mesa y 30000 KN de capacidad de carga


218

FIGURA 7.25 Ejemplos de perfiles obtenidos en la prensa de cortina

ENGARGOLADO. Este mtodo de formado se utiliza en la fabricacin de latas de chapa metlica.

Consiste en la generacin de dobleces en las pestaas de los botes. El engargolado se realiza

(figura 7.26) mediante series de pequeos rodillos los cuales doblan y planchan las orillas de tapa

y bote logrando con esto una unin slida y hermtica. En general este mtodo de unin se aplica

a lminas de pequeo espesor (generalmente menores de un milmetro). Se trata de un proceso

rpido y de bajo costo, las cargas aplicadas son funcin del material y espesor (para acero

inoxidable de 1 mm de espesor, dependiendo del tipo de engargolado se demandan menos de 40

ton). Si bien el mejor ejemplo de aplicacin del proceso es el ensamble de latas, ste puede ser

aplicado simplemente como mtodo de unin entre hojas metlicas.

FIGURA 7.26 Etapas en la formacin del engargolado para la fabricacin de latas


219

FIGURA 7.27 Ensamble de un filtro de aceite y de una lata de 3 piezas por engargolado

FIGURA 7.28 Diferentes tipos de engargolados

FIGURA 7.29 Di|ferentes equipos engargoladores para botes


220

Operaciones de formado mediante corte

TROQUELADO. Esta operacin es una de las ms comunes en el procesamiento de lmina

metlica, permite en general la formacin de piezas a partir de chapa o cinta metlica. Desde

un punto de vista estricto, el troquelado se refiere al corte del material a partir de una cinta o

seccin de partida. Sin embargo, en Mxico el trmino se extiende a diversas actividades que

pueden acompaar al corte, esto es doblez, embutido, grabado, marcado, corte parcial; entre

otras. En particular, se distingue como troquelado al desprendimiento de un elemento til a

partir de la cinta, mientras que en el punzonado lo que se desprende es desperdicio. En una

gran mayora de las ocasiones no se lleva a efecto una sola operacin, sino que para producir

una pieza til se requerir de la combinacin de troquelado, punzonado, embutido, doblez,

grabado, los cuales pueden llevarse en diferentes herramientas (a las cuales se denomina

como troqueles) tenindose entonces troqueles simple (figura 7.30) o en su defecto efectuarse

en forma secuencial describiendo a stos como troqueles progresivos (7.31).

FIGURA 7.30 Troquel simple: 1.Perno de freno o lmite, 2. Buje gua, 3. Perno gua, 4. Tornillos de

sujecin, 5. Espiga gua, 6. Perno, 7. Placa de fijacin, 8 y 13. Porta troquel, 9.

Punzn,10. Placa gua, 11. Cinta, 12.matriz


221

En ocasiones, un troquel puede realizar ms de una operacin durante la carrera de la prensa;

por ejemplo, troquelado y punzonado o troquelado y embutido, a este tipo de troqueles se les

denomina como compuestos (7.32). Su gran productividad y reducido costo la vuelven una

importante alternativa en la produccin de elementos terminados o semiterminados para

produccin en masa. En el troquelado se logra el corte del metal sin la produccin de rebabas,

tenindose que el desperdicio se presentar en la cinta.

FIGURA 7.31 Troquel progresivo. En este se lleva a efecto una operacin calizacin, 3. matriz de troquelado, 4.

herramienta de punzonado, 5. matriz de punzonado, 6. gua, 7. cde punzonado para despus proceder

al troquelado. 1. punzn de troquelado, 2. perno gua o de lointa, 8. pieza terminada, 9. Desperdicio

FIGURA 7.32 Operacin de un troquel compuesto que corta y embute. 1. Punzn de corte, 2. Punzn de embutido,

3. Placa de soporte, 4. Matriz de corte, 5. Expulsor, 6. Cinta metlica a troquelar, 7. Perno de

limitacin o freno, 8. Pieza cortada, 9. Pieza ya embutida, 10. Pieza final, 11. Desperdicio o calavera


222

El diseo de un troquel siempre es una operacin compleja cuya solucin no es nica, tiene

como funciones objetivo, desde luego, formar la pieza, optimar el aprovechamiento del material,

reducir el costo de la herramienta, facilitar su mantenimiento y su fabricacin. La primera etapa

del diseo del troquel es la determinacin de la secuencia de operaciones, para que, a partir de

sta definir los punzones y sus caractersticas, y con ellos, la matriz, para as conceptualizar

elementos de soporte y sujecin. Resulta evidente que el uso de las modernas herramientas de

CAD es un auxiliar invaluable en el momento de disear el troquel; sin embargo, un punto toral

del proceso sigue siendo la creatividad del diseador para conceptualizar la forma en que se

puede generar la pieza requerida.

FIGURA 7.33 Troquel progresivo de 10 etapas para alta produccin. Ntese que las guas

ya no emplean bujes sino sistemas antifriccin


223

FIGURA 7.34 Dibujo de ensamble de un troquel progresivo

Existen diferencias sensibles entre los diferentes tipos de punzn, un piloto ser ms largo (se

distinguen tambin por ser redondeados en su extremo) que los punzones de corte, ya que su

finalidad es localizar puntos de referencia en la pieza y garantizar alineamiento y

posicionamiento de la cinta. Un punzn de embutido tendr filos redondeados para evitar el

desagarramiento o corte de la cinta durante el embutido. Un punzn de troquelado o

punzonado presentar filos vivos que en combinacin con el filo de la matriz y una holgura h

adecuada permitir realizar el desprendimiento del material sin desgarre ni doblez:

2

m pD Dh

Para la figura 7.35 la holgura es de 0.15 mm, que depender del material y de su espesor y

propiedades; si es adecuada se lograr un corte sin desgarres o rebabas. sta ser

0.045 0.05h t t para metales suaves, 0.06h t para aluminio duro y acero suave, y de

0.08 0.1h t t para metales duros, donde t es el espesor del material.

La carga de corte 0.7t m mf tl lt , donde l es el permetro de la pieza y m es el cortante

mximo del material y m es la resistencia mxima a traccin. Considerando la friccin y las

heterogeneidades, la carga de la prensa 1.3p tf f .


224

FIGURA 7.35 Holgura entre matriz y punzn

Si la operacin es de troquelado la medida se da a la matriz y la holgura se aplica al punzn

mientras que si se trata de un punzonado la holgura se aplica al definir las dimensiones de la

matriz.

El diseo de un troquel es una operacin que demanda creatividad y experiencia. Un buen

diseo permitir mximo aprovechamiento de la cinta y de la mquina, mnimas cargas,

menores demandas de mantenimiento y mayor duracin de la herramienta. Partiendo de lo

antes expuesto Vukota Boljanovic [V. Boljanovic , J.R. Paquin, 2006] proponen 14 etapas para

el diseo:


225

Definicin del aspecto de la cinta. El primer paso en el diseo es desarrollar las etapas

de proceso de la pieza vistas sobre la cinta (figura 7.33).

Desarrollo de la matriz. Se dibujan las tres vistas de la matriz en conjunto con la cinta.

Desarrollo de los punzones. Los punzones de troquelado son dibujados por encima de

la matriz.

Desarrollo de los punzones de punzonado. Se procede ahora a su dibujo en su posicin

de operacin.

Se procede a dibujar la placa de sujecin de los punzones.

Diseo de los pilotos. Se dibujan los pernos piloto.

Se dibujan espaciadores y guas.

Se dibujan los pernos de lmite.

Se dibujan los pernos de freno o parada.

Se dibuja los separadores.

Se dibujan los elementos de sujecin (tornillos, pernos, etc.) de ensamble del troquel.

Se selecciona el portatroquel y se dibuja el ensamble de los diferentes elementos en

ste.

Se procede a elaborar el dibujo de fabricacin ya con sus dimensiones.

Se listan los materiales requeridos (con sus especificaciones) para la construccin del

troquel.

Operaciones de doblado

Una de las operaciones ms comnmente realizadas sobre lmina metlica es su doblez

(figura 7.36), para lo cual es necesario aplicar un momento flector que supere la resistencia

a la deformacin plstica del metal.

FIGURA 7.36 Descripcin esquemtica del proceso de doblado de cinta


226

El momento flector requerido para una cinta de espesor t y ancho b de un material con lmite

de cedencia 0 y radio al eje neutro nr , est dado por:

220 023

12

nb rM tE

mientras que la fuerza requerida para formar una pieza como en la figura 7.36 es

sendM

f LL

donde

es el ngulo de doblez

L es aproximadamente 2

d

dL t r

dr es el radio interior de doblado

E es el mdulo de elasticidad

En el rolado (figura 7.37) la carga est dada por

2

02

03 2

D tbf t ctg

D t E

D es el dimetro exterior de rolado y 12sen rl

D d, rl es la distancia entre los rodillos

inferiores y d es el dimetro de dichos rodillos.

FIGURA 7.37 Rolado de lmina o placa


227

Operaciones de embutido Como ya ha sido mencionado el embutido es una de las operaciones con lmina ms comunes,

en sta se producen cuerpos huecos a partir de la cinta metlica. Para esto se dispone de una

matriz y de un punzn que empuja el material al interior de la matriz. Para evitar la formacin

de arrugas se tiene un pisador que permite el deslizamiento del material hacia la cavidad sin

generar estirado en ste (figura 7.38).

FIGURA 7.38 Etapas en la operacin de embutido

Para la determinacin de la carga y solicitaciones a las que se encuentra el material, observa el

modelo de la figura 7.38. Este modelo considera un material rgido plstico sin endurecimiento

y que no existe friccin del material con las herramientas.

Para evaluar el proceso (intensidad de la deformacin), se define el cociente de lmite de

estirado 0

f

dLDR

d , el cual para un material en particular puede referir a la mxima relacin

de dimetro inicial a final.

FIGURA 7.39 Anlisis de la carga de embutido


228

Para el anlisis se considera que la superficie total del material permanece inalterada, esto es

el espesor antes y despus del proceso ser constante.

0fA A

2 202 fr h

2 2 0fd r dh

2

2

fr dhd

fr dhd

Por su parte , 0, 0xx yy zz para una deformacin plstica 0xx yy zz

yy

dd

Como el eje z corresponde con el espesor y se considera que sobre ste no hay cambio.

0zzd

0xx yyd d

xx yyd d

La circunferencia es 2 , por lo tanto

y

dd

y como 2

fx y

r dhd d

donde fr es el radio del punzn, por otra parte,

ij ijdW d

considerando que , ,x y z representan valores principales

2 2x f y f z z

dh dhW r dV r

ya que 0z

2(( ) )x y f

dhdW r dV


229

Considerando criterio de fluencia

0 2f

dhdW dVr

Lo cual se puede presentar como:

02 00 02 2 20 f

rf f f

rV

r r r t d dWdV dV

h

dV t d d

dW fdh

Wf

h

' 002 nf

f

rWr t L

h r

de todo lo expuesto se tiene que la carga de embutido est dada por:

002 nemb f

f

rf r t L

r

2emb fA r t


230

a partir de lo anterior se puede definir el esfuerzo de embutido por:

00 Ln

embemb

emb f

f r

A r

Para que no se presente adelgazamiento 0emb

La deformabilidad se define como el lmite de embutido ( )LDR , el cual representa al cociente

mximo de deformacin

0

f

LDR

0 0 00 0 0 0

2 2Ln Ln Ln

3 3emb

f f f

Considerando la condicin de igualdad

00 0

2Ln

3 f

03 Ln2 f

0 3exp2f

0 2.38f

Aunque en la prctica el valor de la deformabilidad lmite se restringe a:

2.1 2.2aLDR

Esto debido a la friccin y flexin que se presentan durante el proceso, otros autores [Vukota

Boljanovic, 2004] indican que la fuerza de embutido se puede determinar como

12emb ff r t

021 0 0

21.1 ln

2

p

f f e

fr te

r r t t r


231

donde

es la friccin entre material y herramienta

fr es el radio medio de la pieza embutida

pf es la fuerza aplicada por el pisador

er es el radio de la esquina (borde) del punzn

En trminos generales el coeficiente de friccin cuando se lubrican las herramientas est entre

0.06 y 0.16 (acero, aluminio); mientras que en superficies sin lubricacin, ste puede alcanzar

de 0.18 a 0.35 (acero, aluminio).

DEFECTOS Y PROBLEMAS EN EL EMBUTIDO. Durante el embutido interactan una serie de

factores tales como la friccin, la carga del pisador, propiedades del material (resistencia,

formabilidad, anisotropa, etc) que pueden dar como resultado la obtencin de una pieza sana o

defectuosa.

HOLGURA. Si la pieza se fractura durante la operacin, esto se puede deber a un radio de

herramientas (dado y matriz) demasiado pequeo o a que la holgura est por debajo de lo

recomendado; todo esto se traduce en un estirado del material y su posterior desagarramiento.

PRESIN DEL PISADOR. Si la presin aplicada es muy elevada o el coeficiente de friccin se

incrementa sensiblemente se puede dar lugar a la fractura de la lmina durante su embutido.

La presin del pisador se puede calcular como

3

00.25 1200

fip m

f

rrp

r t

donde

fir es el radio interior de la pieza embutida.

La carga del pisador es

2202 2 2

4p fi e pf r r r p

RADIOS DE LAS HERRAMIENTAS. El radio del borde del punzn al igual que el de la matriz

son muy importantes, ya que si son muy pequeos se puede producir fracturas al deslizar el

material sobre stos. Asimismo se pueden producir marcas o rallones durante la operacin. Si


232

la presin del pisador es muy pequea o si el radio del borde de las herramientas es muy

grande, se puede dar lugar a la aparicin de arrugas y por consecuencia marcas en la pieza

embutida.

LUBRICACIN. Como ya ha sido mencionado, sta afecta tanto la capacidad de obtener una

pieza bien embutida, como tambin puede ser causa de incrementos en la carga, presencia de

marcas longitudinales y fractura del material; en cada caso se debe de revisar el lubricante ms

adecuado para el material [acero-aceites minerales, aluminio-aceites grasos sulfurados,

parafinas, aceites minerales, aceros inoxidables-aceites de maz, grafito, entre otros].

OPERACIN DE GRABADO. Es muy comn que las piezas requieran de algn grabado. Para

esto es necesario garantizar la deformacin superficial del material y la carga necesaria se

puede aproximar si se considera un proceso de indentacin. Analizando como tal el proceso se

llega a determinar (considerando material rgido-plstico sin endurecimiento y deformacin

plana), que para el caso de que no exista friccin

2.8862

indp

k

Mientras que para el caso de friccin sin deslizamiento

3.1752

indp

k

donde k representa al cortante crtico. Lo antes expuesto indica que la presin necesaria para el grabado superficial de la lmina es

del orden de tres veces el esfuerzo de cedencia del material.

En pginas anteriores se mencion al acuado, ste es un proceso de grabado por efecto de la

deformacin plstica que sufre el metal al ser sometido a una carga de compresin que genera

esfuerzos superiores al de cedencia, lo que se traduce en un endurecimiento superficial,

conservando el resto del material su tenacidad y propiedades, si bien se le relaciona con el

grabado de las monedas y medallas, en general, este proceso permite producir piezas con

tolerancias muy precisas y excelentes acabados. Donde la presin requerida para la

deformacin es del orden de 03 .

010 MPM Cap7 Final

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