Apunte 1er Cuatr Tecnología 1 Producto 2016

8/17/2019 Apunte 1er Cuatr Tecnología 1 Producto 2016

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TECNOLOGIA I (Productos)Curso Lectivo Año 2016

Responsables de Cátedra:Ing. Felipe OlivoIng. Matías Martínez GambaD.I. Carolina Díaz AzorínD.I. Alejandra Jaimerena

D.I. Ana Membibre

Lugar de cursada: Sede Anexa FAUD, España 3951.Edublog: http://tecno1productos.blogspot.com.ar/E-mail: [email protected]: https://www.facebook.com/tecnologia.unoproductos

PROGRAMA

UNIDAD 1. - MATERIALES 1.1.- Selección de materiales, 1.2.- Propiedades de los materiales, 1.3.- Estados y cambio dela materia, 1.4.- Densidad y peso específico, 1.5.- Propiedades físico-mecánicas, químicas ytecnológicas, 1.6.- Conceptos sobre rugosidad superficial, 1.7.- Conceptos de economía enla fabricación.

UNIDAD 2. - METALES2.1.- Introducción, 2.2.- Metales ferrosos, 2.3.- Metales no ferrosos, 2.4.- Metales basealuminio, 2.5.- Metales base cobre, 2.6.- Otros metales no ferrosos, 2.7.- Obtención de metales,2.8.- Obtención de productos terminados y semiterminados.

UNIDAD 2.1. - FUNDICIÓN

2.1.1.- Introducción, 2.1.2.- Materiales de moldeo, 2.1.3.- Fabricación de moldes y noyos,2.1.4.- Equipos y operación para el moldeo en máquinas, 2.1.5.- Sistemas especiales demoldeo, 2.1.6.- Fusión y colada del metal.

UNIDAD 2.2. - FORJA 2.2.1.- Introducción, 2.2.2.- Fundamentos de la forja, 2.2.3.- Forja en frío, 2.2.4.- Forja encaliente, 2.2.5.- Operaciones de forja, 2.2.6.- Condiciones de trabajo.

UNIDAD 2.3. - CONFORMADO 2.3.1.- Introducción, 2.3.2.- Estampado, 2.3.3.- Punzonado y corte, 2.3.4.- Doblado y curvado,2.3.5.- Arrollado, bordonado, cercado, perfilado y engrapado, 2.3.6.- Embutido, estirado yextrusión.

UNIDAD 2.4. - SOLDADURA 2.4.1.- Introducción, 2.4.2.- Tipos de uniones soldadas, 2.4.3.- Soldadura por arco eléctrico,2.4.4.- Soldadura por resistencia eléctrica, 2.4.5.- Soldadura por fricción, 2.4.6.- Soldadura ycorte por llama de gas, 2.4.7.- Soldadura por explosión, 2.4.8.- Soldering y brazing, 2.4.9.-Corte por chorro de agua.

UNIDAD 2.5. - MECANIZADO: Obtención de formas con pérdida de viruta2.5.1.- Introducción, 2.5.2.- Máquinas herramientas, 2.5.3.- Herramientas de corte, 2.5.4.-Control en máquinas herramientas; 2.5.1.- Torneado: 2.5.1.1.- Introducción, 2.5.1.2.- Aspectos elementales del torno, 2.5.1.3.- Operaciones en el torno, 2.5.1.4.- Clases de tornos;2.5.2.- Fresado: 2.5.2.1.- Introducción, 2.5.2.2.- Tipos de fresas, 2.5.2.3.- Clases de

fresadoras; 2.5.3.- Limado: 2.5.3.1.- Introducción, 2.5.3.2.- Máquinas limadoras, 2.5.3.3.-Máquinas cepilladoras, 2.5.3.4.- Mortajadoras, 2.5.3.5.- Brochadoras; 2.5.4.- Taladrado:2.5.4.1.- Introducción, 2.5.4.2.- Máquinas taladradoras, 2.5.4.3.- Mechas y brocas; 2.5.5.-



Rectificado: 2.5.5.1.- Introducción, 2.5.5.2.- Muelas, 2.5.5.3. Trabajos y tipos de rectificadoras.

UNIDAD 3. - PLÁSTICOS 3.1.- Introducción, 3.2.- Polímeros, 3.3.- Aditivos, 3.4.- Mezclas, 3.5.- Procesamiento, 3.6.-Extrusión, 3.7.- Inyección, 3.8.- Rotomoldeo, 3.9.- Soplado, 3.10.- Termoformado, 3.11.-Colada, 3.12.- Compresión, 3.13.- Transferencia, 3.14.- RIM, 3.15.- Calandrado yplastificado.

UNIDAD 4. - MATERIALES COMPUESTOS 4.1.- Introducción, 4.2.- Comportamiento mecánico, 4.3.- Tipos de MC, 4.4.- Semiterminados,4.5.- Terminados en molde abierto, 4.6.- Terminados en molde cerrado, 4.7.- Relación costo /beneficio.

UNIDAD 5. - CERÁMICOS 5.1.- Introducción, 5.2.- Cerámicos tradicionales y avanzados, 5.3.- Fases de producción,5.4.- Procesado de cerámicos, 5.5.- Prensado, 5.6.- Colado, 5.7.- Conformado plástico, 5.8.-Técnicas avanzadas, 5.9.- Fabricación de vidrios.

UNIDAD 6. - MADERAS 6.1.- Introducción, 6.2.- Conceptos forestales de interés 6.3.- Estructura de la Madera, 6.4.-Propiedades de la Madera, 6.5.- Tipos de Maderas, 6.6.- Maderas Argentinas, 6.7.- Atributosvisuales de la madera, 6.7.1.- Color, 6.7.2.- Textura, 6.7.3.- Cesía, 6.8.- Transformación de laMadera en Materia Prima. 6.8.1.-Cadena de valor, 6.8.2.- Fases de la transformación, 6.8.3.-Modos de Comercialización, 6.9.- Procesamiento de Maderas, 6.9.1.- Técnicas Aditivas,6.9.2. -Técnicas Sustractivas, 6.9.3.- Técnicas de Conformado.

UNIDAD 7. - ADHESIVOS 7.1.- Introducción, 7.2.- Tratamiento superficial previo, 7.3.- Procedimiento de encolado, 7.4.-Tipos de adhesivos, 7.5.- Comportamiento mecánico de las uniones.

UNIDAD 8. - PINTURAS

8.1.- Tipos de pintura, 8.2.- Selección del sistema de pintura, 8.3.- Preparación superficial,8.4.- Pintado por pulverizado, 8.5.- Pintado por flujo, 8.6.- Pintado por inmersión, 8.7.-Pintado por electrotécnicas, 8.8.- Pintado por polvos, 8.9.- Control de calidad en pinturas,8.10.- Pinturas sobre acero estructural.

UNIDAD 9. - TRATAMIENTOS SUPERFICIALES 9.1.- Introducción, 9.2.- Electrodeposición, 9.3.- Electroless plating, 9.4.- Anodizado, 9.5.- HotDipping, 9.6.- Pulverizado Térmico, 9.7.- Deposición Física (PVD) y Química (CVD) deVapor, 9.8.- Implantación Iónica, 9.9.- Tratamientos superficiales con Láser.

REQUISITOS DE APROBACIÓN:

Es requisito para cursar la materia aparecer en el listado de “Inscripción a Cursada”generado por División alumnos. Según el sistema de correlatividades del Plan de Estudios2007 de la Carrera de Diseño Industrial (OCS 1864), es necesario tener aprobada Diseño 1 yLenguaje Proyectual 1 y cursada Tecnología Gral. y Matemática para inscribirse a la materia. Aquellos alumnos que no se encuentren en dicho listado no se le evaluarán los prácticos, asícomo tampoco se le tomarán los parciales.La asistencia a clases será obligatoria, contemplando al menos un 75%. La materia no tienerégimen promocional, se aprueba mediante un examen final. Para estar habilitado se tomandos parciales, con sus respectivos recuperatorios en caso de ser necesario, debiendo estaraprobados. Estos no tendrán nota y solo podrán ser Aprobados o No Aprobados. Secontempla un flotante para solo uno de los parciales (en primera o segunda instancia)desaprobado o ausente. Para poder rendir los parciales, se deben tener los prácticos

aprobados en término. Los alumnos que hayan aprobado ambos parciales y tengan latotalidad de los trabajos prácticos aprobados, se los considera “habilitados” y están encondiciones de rendir el examen final bajo la condición de alumnos regulares.



Tecnología I - U1 - Materiales - 1

UNIDAD 1 - MATERIALES

1.- Selección de materiales, 2.- Propiedades de los materiales, 3.- Estados y cambiode la materia, 4.- Densidad y peso específico, 5.- Propiedades físico-mecánicas,químicas y tecnológicas, 6.- Conceptos sobre rugosidad superficial, 7.- Conceptos de

economía en la fabricación.1.- SELECCION DE MATERIALES

La selección de un material apropiado es uno de los pasos decisivos, y complicados,en el diseño de un objeto. Lo difícil de esta decisión radica en que, por ejemplo, haymas de 40.000 aleaciones metálicas útiles posibles, y alrededor del mismo númerode materiales no-metálicos de uso ingenieril. Una mala elección de material, no soloes capaz de fallar, inmediata o mediatanamente, sino que puede llegar a ser demayor costo; a su vez, otras propiedades varían en función del material, tal comopor ejemplo la maquinabilidad, que influirá en costos de mecanizado.

Generalmente la selección de materiales está basada en la experiencia previa;si bien es una primera solución, no es la óptima. Hasta no hace mucho tiempo, laselección era considerada como una parte menor del diseño; los materiales seseleccionaban de Handbooks, donde las propiedades estaban limitadas. Lógicamenteque la selección será en función de la solicitación que deba soportar la pieza; estosignifica que la selección de los materiales para las partes de un avión que vuele porencima de Mach 3 será mas delicada que la selección para un juego de muebles de

jardín. Un importante cambio se dio en la industria automotriz en la década de los80: con el fin de aumentar la eficiencia de los mismos, se buscaron materiales maslivianos y de igual o mayor, resistencia que los anteriores (por ej. aleaciones de Al ydiferentes polímeros).

2.- PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

La propiedad de algo es la forma o modo de ser; mientras que un cuerpo tieneciertas propiedades tal como el peso, la geometría o el tamaño, el material del queesta hecho ese cuerpo tiene propiedades tales como peso molecular, densidad,dureza y muchas otras mas. Luego, no se debe confundir las propiedades de uncuerpo con las propiedades de un material.

Estas propiedades generalmente se expresan en términos de propiedadesfísicas, mecánicas, térmicas, eléctricas o químicas. Las propiedades de un material esla unión entre la estructura básica de un material y su comportamiento en servicio,tal como se ve en la figura 1.

Estructura Comportamiento

Figura 1. Relación entre estructura y comportamiento.

Estructura atómicaEstructura cristalinaDefectos estructuralesMicroestructuraMacroestructura

TensiónCorrosión

TemperaturaRadiación Vibración

Cienciade

Materiales

Ingenieríade

Materiales

Propiedadesde

Materiales




Examinando el área completa de materiales se encuentran tres gruposprincipales, tres grupos secundarios y otros mas específicos; se listan en primertérmino los principales y luego algunos de los secundarios:

1.1.- Metales : Hierro - Fe, Cobre- Cu , Aluminio - Al, Bronce, Magnesio - Mg,etc.1.2.- Cerámicos : Ladrillos, Cemento, Yeso, Alúmina, etc.1.3.- Plásticos : Polietileno - PE, Poliestireno - PS, Polivinil cloruro - PVC, etc.

2.1.- Elastómeros : Gomas, Elásticos, etc.2.2.- Vidrios : Translúcidos, Opacos, Cristal, etc.2.3.- Compuestos : Fibras, Kevlar, Carbono - Carbono, Cermets, ect.

No hace mucho tiempo atrás, los metales eran prácticamente la única opciónpara aquellas piezas que debieran tener un mínimo de resistencia; en la actualidad,ese rango es mucho mayor y, mediante los avances de la Ciencia de Materiales, laopción de nuevos materiales crece a gran velocidad.

Las diferencias en las características de cada grupo de materiales tienen suorigen en diferencias básicas que hay en el enlace entre átomos y grupos de átomos;los metales, con átomos enlazados con enlaces metálicos, conducen a que sean dealta conductividad eléctrica y térmica, así como de alta tenacidad; los cerámicos, conenlaces iónicos y covalentes, presentan alta dureza, alta resistencia eléctrica ycomportamiento frágil; por último, los plásticos, con enlaces covalentes y débilesfuerzas intermoleculares de Van der Walls, conducen a las variedades típicas dedichos materiales.

Las propiedades son inherentes a los materiales, son particulares de cada unoy no son comunes entre si; estas dan lugar a las distintas maneras de comportarse.Si, por ejemplo, se golpea un trozo de vidrio, este se rompe con suma facilidad yaque es frágil y, por ende, la fragilidad es una propiedad de los vidrios; sin embargo,y para no cometer el error antedicho, uno no dice que todas las botellas son frágiles.Para corroborar esto no hace falta mas que ver una de las diferentes botellascomerciales contenedoras de bebidas de alto valor, ya que el material de esta es de

Al; luego, si se podría decir que todas las botellas de vidrio son frágiles.

Tomando como ejemplo un dado objeto, y por comodidad seguimos con elmismo ejemplo, analizaremos de manera burda una primera aproximación paraelegir un material para la fabricación de la botella. Generalizando únicamente enmetales, cerámicos (que en este caso es vidrio) y plásticos, los resultados se ven enla Tabla 1.

De todas formas, estos materiales y otros tantos, se emplean en diversasformas y lógicamente, en diversas cantidades. En la Figura 2 se ven las cantidades(en toneladas) y su costo (en dólares por tonelada) y rápidamente se puede apreciarporque el Titanio - Ti se utiliza en implementos de alpinismo (tornillos para hielo) y

no para atornillar una estantería metálica que soporta bajas cargas.




Tabla 1. Análisis comparativo de diferentes materiales para un mismo producto

Las propiedades de los materiales usualmente determinadas bajoespecificaciones, son de amplias características (Tabla 2).

Tabla 2. Propiedades características de cada material.

Propiedades FísicasEstructuraDensidadTemperatura de fusiónPresión de vapor

ViscosidadPorosidadPermeabilidadReflectividadTransparenciaPropiedades ópticasEstabilidad dimensional

Propiedades QuímicasPotencial ElectroquímicoCorrosión - Degradación

atmosféricamedios clorados o

salinosácidosgases calientesrayos ultravioletas

OxidaciónEstabilidad térmicaEstabilidad biológicaCorrosión bajo tensiónDaño por Hidrógeno

Propiedades Térmicas

Conductividad

Calor específico

Coeficiente dilatación térmica

Emisividad

Absorvidad

Resistencia a la llama

Tipos de envase

Metálicos Cerámicos Poliméricos

Material típico Aluminio Vidrio Polietileno

Resistencia Alta Alta Baja Tenacidad Alta Baja Baja

Dureza Moderada Alta Baja

Resistencia a la corrosión Alta Alta Alta

Conductividad térmica Alta Baja Baja

Facilidad de conformado Alta Alta Alta

Facilidad de reciclado Alta Alta Baja

Peso (en función de δ) Bajo Moderado Bajo

Rigidez Baja Alta Baja

Costo Moderado Moderado Moderado

Propiedades MecánicasDurezaMódulo de elasticidadde tensión

de compresiónCurva Tensión DeformaciónComportamiento a la fatiga

a la fracturaal impactoa altas temperaturas

Comportamiento al desgastea la abrasióna la adhesióna la erosiónal desgaste por corrosión

Comportamiento balístico

Propiedades

Eléctricas

Conductividad

Constante dieléctrica

Fuerzas cohesivas

Histéresis

PropiedadesTecnológicas

Colabilidad

Forjabilidad

Soldabilidad

Embutibilidad

TemplabilidadMaquinabilidad

PropiedadesNucleares

Media Vida

Estabilidad




Figura 2. Volúmenesutilizados vs Costo.

3.- ESTADO Y CAMBIOS DE LA MATERIA

La materia esta en sus tres estados clásicos: sólido, líquido y gaseoso. Se losdetermina estados de materia ya que el mismo no depende solo de ellos sino a la

temperatura a la que se encuentran. El caso mas usual es el de la molécula de agua(H2O); cuando la temperatura es de 100°C, entonces la molécula pasa de estadolíquido a estado gaseoso y cuando la misma es de 0°C, pasa de estado líquido aestado sólido. Sin embargo, tanto el vapor como el hielo no dejan de ser agua yestas diferencias de estado no eliminan las propiedades del agua. Un aspectosingular se formula en el agua: es la única materia que cuando pasa de estadolíquido al estado sólido aumenta su volumen y esto es debido a un ordenamiento encadena de las moléculas de H2O.

Luego, el estado de la materia se puede modificar cambiando la temperaturao variando la presión del sistema, aunque esto no es usual. Los estados de la

materia, tal como se ven en la figura 3, siempre se ordenan así: sólido - líquido -gaseoso, de modo que para pasar de sólido a gas, se debe pasar por el estadolíquido. En general todos los materiales se pueden encontrar en los tres estados y elestado en que se encuentran es el correspondiente al de la temperatura a la cual selos esta observando. Usualmente, el estado en que se ve es en aquel con unatemperatura de 20°C, con márgenes reducidos de variación, y es por eso que al aguase la ve líquida, al aire gaseoso y al hierro sólido. Pero así como el agua se puedevolver sólida, el hierro se puede volver líquido y hasta gaseoso si las temperaturasson muy altas.

Cada cambio de estado tiene su nombre:

• Fusión, pasar de sólido a líquido; ej.: el hierro funde en el horno. En la Tabla 3 selistan las temperaturas de fusión de varios materiales. Este dato es fundamental, yaque varios e los procesos tecnológicos de transformación se obtiene a través de lafusión del material para luego ser solidificados con la geometría deseada.

• Vaporización, es el paso de líquido a gas; si el proceso es brusco, se llama ebullición(agua hirviendo en un recipiente).

• Condensación, es pasar un de gas a líquido; se ve claramente cuando tomamos algode la heladera. Si bien cuando apenas sacamos al exterior un recipiente este estáseco, al poco tiempo se forman gotas sobre la pared externa del mismo. Esto ocurre

en mayor medida si el ambiente es húmedo; si la experiencia la hacemos en algún




lugar con un 5 % de humedad relativa en el ambiente, veremos que prácticamenteno hay condensación.

• Solidificación, y es cuando se pasa de líquido a sólido. Cuando se observa que unpolímero gela (su viscosidad tiende a ), se dice que solidifica; otro ejemplo escuando se deposita un cordón de soldadura (con temperaturas de » 2500°C, capazde fundir tanto al material base como al material de aporte) y este se enfría, haysolidificación.

T Fusión T Vaporización

SOLIDO LIQUIDO GAS

T Solidificación T Condensación

Figura 3. Esquema de cambios de estado.

La dilatación es el aumento de una magnitud de longitud debido al aumentopor temperatura. Este aumento puede ser lineal, superficial o volumétrico; en elprimer caso se puede apreciar sobre un alambre, el segundo sobre una chapa planay el tercero sobre un cuerpo.

Material T fusión Material T fusión Material T fusión

MercurioPE bajaPE altaPVCEstañoPlomoPTFEZinc

-39°C115°C137°C200°C232°C327°C327°C419°C

Magnesio AluminioBronce Cu-SnLatón Cu-ZnPlataOroCobreFundición Fe

658°C650°C900°C940°C960°C1063°C1090°C1230°C

NíquelCobaltoHierroPlatinoSiliceCromo

AluminaGrafito

1452°C1490°C1535°C1764°C1800°C1875°C2015°C3700°C

Tabla 3. Temperaturas de fusión de diferentes materiales

Al aumentar la temperatura (lógicamente, sin pasar de estado) todos loscuerpos se dilatan y cuando disminuye dicha temperatura, estos se contraen. Estoocurre para todos los estados de materia. En la dilatación se basa el termómetro demercurio ya que aumenta su volumen proporcionalmente al aumento detemperatura. La mayor o menor dilatación de un cuerpo depende de tres factores:

las dimensiones del cuerpo: un cuerpo se dilata en sus tres direcciones, pero lohará en mayor medida sobre la magnitud mayor. Si se calienta un alambre,aumentará su longitud en gran medida mientras que el diámetro sufrirá un aumentodespreciable.

el aumento de la temperatura: existe una correspondencia entre el aumento de la

temperatura y la dilatación del cuerpo. Si una determinada pieza compuesta de ciertomaterial aumenta 2mm cada 100°C, si se calienta a 300°C aumentará 6mm. Se debe




tener cuidado cuando hay calentamiento localizado ya que si una zona esta mascaliente, mayor será su dimensión.

la naturaleza del material: todos los materiales se dilatan de diferente forma y elumbral de estos valores se determinan en función de los coeficientes de dilatacióntérmica. Estos coeficientes, listados en la tabla 4, indican la dilatación lineal de cadauno de los materiales por unidad de longitud, al aumentar un grado de temperatura.

Lf = Lo + Lo . γ . ΔT = Lo . ( 1 + γ . (Tf - To) )

Siendo Lf : longitud final

Lo: longitud inicial

γ : coeficiente de dilatación térmica

ΔT: diferencia de temperatura

Tf : temperatura final

To: temperatura inicialEsto significa que si el coeficiente de dilatación térmica γ del platino es

0,000009 y se calienta una barra de 5 mm de diámetro pero de 2 m. de largo (2000mm.) hasta 150°C, midiendo su longitud dentro de un laboratorio de metrología(lugar donde se mide y donde la temperatura siempre es constante y cuyo valor es20°C): ¿cual es su longitud final?.

Lf = 2000 mm (1 + 0,000009 . (150°C - 20°C)) = 2000 mm . 1,00117

Lf = 2002,34 mm.

Ahora, si se calienta bajo las mismas condiciones tanto de temperatura como

dimensiones pero en vez de platino se utiliza una barra de estaño, γ 0,000027, lalongitud final será tal:

Lf = 2000 mm. ( 1 + 0,000027 . (150°C - 20°C)) = 2000 mm. . 1,00351

Lf = 2007,02 mm.

Material Coeficiente γ Material Coeficiente γ Material Coeficiente γ

AluminioEstañoPlatino

Antimonio

HierroPlomo

0,0000240,0000270,0000090,000011

0,0000120,000029

CincMagnesio

AceroCobalto

NíquelFundición Fe

0,0000290,0000260,0000120,000018

0,0000130,000010

CobreOroBronceCromo

PlataLatón

0,0000170,0000150,0000180,000009

0,0000200,000019

Tabla 4. Coeficientes de dilatación térmica γ de diferentes materiales

Un ejemplo típico relacionado con este concepto ocurrió con la protecciónacrílica de los carteles publicitarios situados en los módulos de paradas de colectivospara la ciudad de Buenos Aires. Luego de ser cortadas mas de 1.500 protecciones, seobservó que el leve incremento de temperatura producto del calentamiento de lostubos flourescentes dentro del habitáculo, generaba pequeñas dilataciones y debido

a la poca distancia que quedaba entre la plancha acrílica y el marco de aluminio, la




interferencia dio lugar a tensiones que generaron fisuras en las planchas. Lasolución, a gran costo, fue refilar las planchas, contemplando dicha dilatación.

4.- DENSIDAD Y PESO ESPECIFICO

Dos cuerpos, aunque puedan tener el mismo tamaño, pueden tener distinta masa;un dado volumen de aluminio pesa 3 veces menos que ese mismo volumen enhierro. Entonces, la masa que tiene un cuerpo por unidad de volumen se ladenomina densidad. Un modo usual para ver la diferencia de densidades se veperfectamente con el agua y el aceite: aparte de ser inmiscibles (por lo tanto no semezclan), por la diferencia de densidades se separan perfectamente, siemprequedando el aceite por sobre el agua ya que tiene menor densidad.

La densidad de un dado material se mide respecto de la densidad de unmaterial patrón. Este material patrón, que por convenio su densidad es 1, es aguadestilada y a 4°C de temperatura. El número de veces que la densidad del material

es mayor o menor que la densidad de agua es a lo que se llama densidad de esamateria. Por ejemplo, el acero tiene 7,8 veces mayor densidad del agua; luego, ladensidad del acero es 7,8. En definitiva, el peso específico de un material es el pesode una unidad de volumen de dicho material. Si el peso específico del oro es 19,3gr/cm3, significa que un cubo de oro de 1 cm de lado, pesa 19,3 gr. El concepto essumamente útil ya que permite conocer el peso de un cuerpo, aunque previamentese deba conocer el volumen.

No se debe confundir a la densidad con el peso específico. Mientras ladensidad se refiere a la masa, el peso específico es inherente al peso. Sin embargo,como ambas propiedades tienen las mismas unidades, suelen confundirse; unmaterial tiene la misma densidad en la tierra y en la luna, mientras que con el pesoespecífico no ocurre lo mismo debido a que la fuerza de gravedad en la luna esmenor a la de la tierra (debido a que es mas chica y tiene menos atracción). Algunospesos específicosse listan en latabla 5.

Tabla 5. Densidades de

diferentesmateriales.

Material Densidad[gr/cm3]



Metales

AluminioEstañoPlatinoMercurio

HierroPlomo

2,67,321,513,6

7,811,4

CincMagnesio

AceroCobalto

NíquelFundición Fe

7,11,77,88,8

8,77,2

CobreOroBronceCromo

PlataLatón

8,919,3

8,4-9,26,9

10,57,3-8,4

No Metales

PE –LDPE –HDPTFEPC

0,920,962,171,20

PVCPPPAPI

1,400,901,141,39

PMMAPSPET

1,221,061,36

Cedro Abedul

0,320,62

PinoRoble

0,350,68

Arce 0,48

PorcelanaN4Si3

2,5-2,82,5-3,2

Al2O3 Vidrio

3,982,5

CSi 3,10

Líquidos

Agua Alcohol

10,79

AceiteGas-oil

0,920,85

GlicerinaFuel-oil

1,260,98




5.- PROPIEDADES FISICO-MECANICAS, QUIMICAS Y TECNOLOGICAS

Tal como se observa en la Tabla 2, es conveniente distinguir:

5.1.- Propiedades físicas y mecánicas

Las propiedades físicas son las que hacen que los materiales se comporten de una uotra manera cuando se los somete a la acción de una fuerza o de cualquier otraforma de energía, como por ejemplo calor, electricidad, etc. Entre las propiedadesfísicas de los materiales se destacan un grupo de ellas cuyo estudio es de sumointerés: aquellas que determinan el comportamiento de un dado material cuando sonsolicitados por fuerzas y determinan las propiedades mecánicas del material.

5.1.1.- Resistencia a tracción. Resistencia a fluencia. Alargamiento %

Es importante distinguir entre estos dos valores ya que en un material frágilprácticamente son iguales mientras que en un material dúctil son dos valorestotalmente diferentes. Sobre la tabla donde se listan las propiedades, se ve que unlatón de 70 % Cr, 30 % Zn, la resistencia a la tracción es 4,6 veces la tensión defluencia, obteniendo un alargamiento porcentual del 65 %; luego, en una fundicióngris, con prácticamente 0 % de alargamiento porcentual, los valores de σ tracción yσ fluencia son prácticamente iguales. La combinación de estas propiedades, tal cualse ve en la Tabla 6, define el tipo de material con el que se diseñara un producto. La

tenacidad, es proporcional al área comprendida por debajo de la curva σ - .

Tabla 6. σ tracción y σ fluencia Kg/mm2 , y costo.

σ Trac σ Flue. Costo

Metales

Aluminio AluminioMagnesioCobreCobreLatónLatón

Acero Acero Acero

Acero Acero AceroFundiciónFundición

99,6%Al4,5%Cu3%Al,1%ZnRecristalizadoLaminado en frío90%Cr, 10%Zn70%Cr, 30%Zn0,2%C, laminado en caliente0,2%C, laminado en frío0,8%C, laminado en caliente

0,45%C aleado, laminado en caliente0,45%C aleado, tratado térmicamenteInoxidable, 18%Cr – 8%NiGris, 3%C – 2%SiNodular, 3%C – 2%Si, con TT.

7,3049,2126,7122,4935,1532,3453,4238,6642,8878,73

70,30210,9077,3328,60150,00

2,8142,1819,687,7328,127,7344,2921,0935,8543,58

56,24203,8052,7228,60130,00

43139456658251510

25835> 18

8,338,3313,3316,6616,66

1515111

1,661,667,33

11,33

No Metales

PE –LD ABSResinasElastómeroMadera

Polimerización linealPolimerización lineal con injertosFenólicas, polimerizadas en red #Caucho - GomaRoble, fibras naturales

2,815,624,902,100,56

── ── ── ── ──

100200

7000

5,3311,3311,66 ── ──

VidrioCti

Base Silicato de SodioCerámico avanzado

091,39

091,39

00

0,6666,66




5.1.2.- Dureza

Son un muy amplio rango en los diferentes materiales, el de mayor dureza es para elcarbono C cuando esta puro y en forma de diamante (la otra forma en que seencuentra libre es en grafito, con dureza → 0), luego le siguen los carburos(combinación de C con otros elementos y dan compuestos muy duros, como elcarburo de tungsteno CW, el carburo de silicio CSi, el carburo de titanio CTi, etc.).Detrás de estos siguen algunos óxidos (tal como la alúmina Al203, o los ferrosos FeO,Fe203, etc.), los cerámicos, los metales (ferrosos y no ferrosos) y por último lospolímeros. Se debe tener en cuenta que si bien en los metales los valores de durezason representativos de la resistencia, no ocurre lo mismo en los cerámicos, donde elcomportamiento es extremadamente frágil.

5.1.3.- Concentrador de tensiones

Cuando por factores de diseño se deben generar sobre el objeto algún tipo de

cambio de forma, cambio de espesor, o un cambio en general, este debe ser de laforma mas armoniosa posible. Esto significa que si se debe reducir el espesor de unadada pared, el cambio será gradual (siguiendo algún radio de acuerdo) y de ningunaforma será discreto (en forma de escalón). Esto es así ya que en los ángulos vivos segeneran estados tensionales capaces de generar fisuras por donde el material fallarámas tarde; lógicamente, la fisura correrá mas rápido en los materiales de mayorfragilidad.

5.1.4.- Fatiga

La falla por fatiga se origina en un comportamiento defectuoso del material luego deun dado número de cargas y descargas, pero siempre por debajo de su tensión defluencia. La solicitación, o la carga, genera sobre la superficie de la pieza una fisura,producto de algún concentrador de tensiones. El número de ciclos, generalmentesuperior a 30.000, establece el número total que resiste el material; sin embargo, sedebe tener en cuenta que el material puede haber generado la grieta a los 500 ciclos(es decir que la grieta avanza en forma lenta) o a los 29.800 (y que significa que lagrieta se disparó rápidamente).

Luego, la resistencia a la fatiga se ve afectada, entre otros, por los siguientesmotivos: concentradores de tensiones (roscas, escalones, defectos, etc.), la

rugosidad superficial, tensiones residuales y Corrosión superficial o intergranular.

5.2.- Propiedades químicas

Las propiedades químicas de un dado material son las que determinan como secomportará frente a un dado medio o frente a otro material. La resistencia a lacorrosión es una propiedad química; como ejemplo, rara vez se diseñan cubiertos demesa metálicos que no usen acero inoxidable como material base. Esto es debido aque los aceros inoxidables tienen una alta resistencia a la corrosión; también, unapropiedad química es la resistencia de ciertos materiales a la presencia de NOH 3

(amoníaco) y con las consecuencias que eso trae, ya que los circuitos deben sertotalmente estancos ya que el amoníaco es sumamente tóxico.




5.3.- Propiedades tecnológicas

Las propiedades tecnológicas son las que determinan el comportamiento de losmateriales al ser trabajados por los procedimientos utilizados para su transformación.Cuando se habla de que determinado material tiene mayor forjabilidad que otro,significa que ese material se puede deformar fácilmente a temperatura, sin alterardemasiado sus propiedades físicas. Luego, cuando se habla de forjabilidad,maleabilidad, endurecimiento por deformación en frío y otras propiedades mas, sonpropiedades tecnológicas.

Hay tantas propiedades como técnicas de trabajo y desde ya que sonincontables. La idea es presentar las características generales. Se detallarán seispropiedades tecnológicas y se ve a simple vista que algunas son aplicables a todotipo de material, mientras que con otras no ocurre lo mismo; como ejemplo, si sehabla de templabilidad, que es una forma de endurecer un metal por calentamiento yun brusco enfriamiento, nada mas desacertado que pensar que es una propiedad

aplicable a maderas.

5.3.1.- Colabilidad

Es una propiedad que le permite al material ser utilizado para la fabricación de piezaspor fundición. Cuando se habla de fundición significa que un dado material, metálicoen general, se funde y luego de tomar estado líquido se vuelca dentro de un moldepara obtener una determinada forma. Algunos metales tienen la propiedad de llenarlos moldes con mayor o menor facilidad y a dicha facilidad se la llama colabilidad.Esta propiedad también es de suma importancia para todo tipo de fluidos, y que enel caso de polímeros (tanto en termoplásticos como en termorrígidos) y vidrios, sesuele hablar de MFI, es decir Melt Flow Index - Indice de Fluido Fundido.

La colabilidad del material depende en gran manera tanto de la temperatura ala cual se llena el molde y la temperatura de fusión del material. Cuanto mayor es ladiferencia entre las temperaturas, mayor es la colabilidad; tendrá mas colabilidad unaluminio calentado hasta 780°C que uno calentado a 735°C, siendo la temperaturade fusión del aluminio 658°C. Sin embargo, la temperatura de colada esta limitadaalgunas veces por la capacidad de los hornos para llegar hasta ese valor, otras por elcosto energético de ese sobrecalentamiento o sino por las variaciones en laspropiedades del material. La colabilidad es muy variable de un metal a otro y para sumedición se estableció un método universalmente empleado. En un molde en formade espiral, con sección triangular, endonde se cuelan distintos materialesy en función de la longitud de laespiral y comparándola con unalongitud patrón se determina lacolabilidad. En la figura 4 se ven dosespirales, teniendo el material de laderecha mayor colabilidad.

Figura 4. Espirales de colabilidad.




5.3.2.- Forjabilidad

Otro método de dar forma a piezas metálicas es por forja. El forjado, que no es masque una deformación, puede ser en frío o en caliente; en frío se obtienen mejoresterminaciones pero no se logran grandes deformaciones (una de las mas usualesaplicaciones son para darle forma a los cubiertos de mesa); en caliente se obtienengrandes deformaciones y teniendo el material a temperatura pero por debajo de supunto de fusión, es decir en estado sólido, se le da una deformación obteniendo lapieza deseada.

No todos los metales se pueden forjar; algunos son totalmente inadecuadosya que al intentar forjarlos se agrietan o se rompen con suma facilidad. Aparte, entremateriales forjables no todos lo hacen con la misma facilidad. Para obtener unabuena forja se debe trabajar con calentamientos perfectamente acotados y enfunción de la temperatura, de la energía aportada para la deformación y ladeformación propiamente dicha se obtienen distintos comportamientos de un

material para ser forjado.Las pruebas para determinar la forjabilidad de un material son muy variadas.

Un modo usual es retorcer a la temperatura de forja una barra con una seccióncuadrada de 1 cm2 y en función a las vueltas que da sobre si mismo sin romperse,determina la forjabilidad.

5.3.3.- Soldabilidad

Muchos materiales presentan la facilidad de unirse por soldadura. A la propiedad queun material se pueda unir a otro se la denomina soldabilidad. En los últimos años se

han variado por completo los conceptos que regían en la soldadura ya que materialesque antes costaban soldarse, tales como el aluminio o el acero inoxidable, ahora lopueden lograr y con métodos usuales; inclusive ya se amplia el espectro de unionesya que no solo se pueden soldar piezas metálicas de diferentes materiales sino queya se obtienen piezas metálicas unidas a materiales plásticos. Luego hay ensayosque analizan el comportamiento de las uniones en si mismas mientras que hay genteque busca nuevos materiales capaces de unirse por medio de soldadura.

5.3.4.- Embutibilidad

En la actualidad es común obtener piezas por deformación en frío, ya seamanualmente o con prensas, de láminas metálicas de reducido espesor. A lacapacidad de trabajarse un material por este método se la denomina embutibilidad.Normalmente se lo emplea en todo tipo de baterías de cocina, en todo tipo derecipientes (latas) y en un sinnúmero de objetos.

El proceso mas usual para medir la embutibilidad de un material es con elensayo de Erichsen. Deformando una chapa en una dada matriz con un punzónesférico, midiendo el esfuerzo necesario para obtener una dada altura se obtiene lafacilidad de embutido, mientras que observando cuando se produce un agrietamientosobre el casquete esférico se obtiene el grado de embutibilidad (figura 5).




Figura 5. Estampa (punzón y matriz)para ensayo de Erichsen.

5.3.5.- Templabilidad

Esta propiedad esta acotada únicamente para aceros; se denomina templabilidad a lacapacidad de un acero a endurecerse bajo un determinado tratamiento térmico. Laprueba mas extendida para ver como se endurece un cierto material es calentar unaprobeta y luego de enfriarla por el método Jomini, tomarle valores de dureza a lolargo de una generatriz. A medida que se obtienen mayores valores de dureza, elmaterial tiene mayor templabilidad. Hay un gran número de tratamientos para losdistintos materiales capaces de endurecer por calentamiento; es usual que luego deltemple se le haga algún tipo de tratamiento con el objeto de aliviar tensionesresiduales.

5.3.6.- Maquinabilidad

Se denomina maquinabilidad de un dado material a la mayor o menor facilidad quepresenta para ser trabajado por herramientas cortantes. La maquinabilidad esrelativa, sobre todo en materiales de distinta concepción. Un acero sin ningúntratamiento térmico es mucho mas maquinable que ese mismo acero luego de untratamiento; es decir, un endurecimiento le da mayor resistencia a las deformaciones(le aumenta el límite elástico) pero le quita maquinabilidad. Esto significa que unapieza que se va a endurecer, primero se la maquina y luego se la templa.

Un material maquinable por excelencia son las maderas. Desde ya que hayuna amplia gama de maderas y en función del árbol de la que fue extraída, de ladensidad de nudos, del ancho de las vetas y de varias variables mas, se determina lamaquinabilidad de dicho material.

6.- CONCEPTOS SOBRE RUGOSIDAD SUPERFICIAL

Toda superficie tendrá una determinada rugosidad superficial y esta será función dela forma en que fue obtenida o transformada dicha superficie. La forma de medirestos parámetros, que da una idea de la forma topográfica superficial, es por mediode rugosímetros y perfilómetros. El primero de los instrumentos da valoresnominales, siendo el principal parámetro que se obtiene el Ra, que si bien esadimensional, esta directamente ligado a los micrones entre picos y valles de la




topografía superficial. El segundo de los instrumentos, el perfilómetro, directamenterevela geométricamente la forma del perfil superficial. Desde ya que la precisión deambos instrumentos estará determinada por el diámetro del palpador que recorre lasuperficie y que es de 2μ. Una particularidad de las superficies es que la geometríade una determinada topografía sería independiente de la escala con la que se mide;

esto significa, que la geometría de 3.033 km de superficie lunar tendría la mismaforma que 1 mm de superficie de un rodamiento. En la figura 6 se da una idea deque a medida que se intensifica el aumento, el perfil no variará su aspecto.

Figura 6. Similitud entreperfiles, a medida que se

va aumentando lamagnificación.

Desde ya que el aspecto de cualquier superficie estará directamente ligada ala tolerancia de la dimensión de la pieza. Tal como se verá mas adelante, latolerancia dimensional de una superficie mecanizada a desbaste será mayor que la

tolerancia de esa misma superficie pero ahora mecanizada a terminación. Elconcepto de intercambiabilidad de piezas, establecidos por la Revolución Industrialocurrida dos siglos atrás (circa 1880), hace que las tolerancias de piezas que seránintercambiables, tengan tolerancias perfectamente acotadas. La tabla 7 es de sumaimportancia y en ella se observan las rugosidades superficiales posibles de obtenerpara diferentes operaciones de transformación de materiales. Los rangos que seobservan son característicos de las operaciones; la parte oscura corresponde a losvalores usuales mientras que las partes rayadas corresponden a los no tan típicospero capaces de ser obtenidos. Claramente se observa que hay operaciones quebarren un gran rango de rugosidades posibles (rectificado por ejemplo, con variablestanto de velocidades de corte y avance como en el tamaño de los granos abrasivos),mientas que otra técnicas (por ejemplo en la superficie de una pieza fundida enarena) el rango esta mucho mas acotado.

Por último, con la disminución de la rugosidad superficial, no solo hay unamayor precisión dimensional en la pieza, sino que hay un notable cambio estético. Endefinitiva, el pulido tradicional para que una pieza brille, no es mas ni menos quedisminuir la rugosidad superficial de manera tal que la luz refleje mas intensamente.Desde ya que el brillo posterior de la pieza estará ligado al tipo, espesor y estabilidaddel óxido que desarrolle superficialmente.




Distancia entre picos y valles de Rugosidad Superficial [μ]

50 25 12,5 6,3 3,2 1,6 0,80 0,40 0,20 0,10 0,05 0,025 0,012

Corte por llama

Estampado

AserradoLimado, Cepillado

Agujereado

Electro-erosionado

Fresado

Brochado

Escariado

Haz de electrones

Mec. y corte p/laserTorneado, Alesado

Rectific. electrolítico

Pulido rotación paño

Rectificado

Esmerilado

Electro pulido

Pulido

Lapidado

Superacabado

Moldeo en arena

Laminado, en caliente

Forjado

Colada molde metal

Moldeo ceras perdidas

Extrusión

Laminado, en frio

Colada por presión

Aplicación promedio

Aplicación menos frecuente

Tabla 7. Rugosidades superficiales para diferentes técnicas de procesamiento

7.- CONCEPTOS DE ECONOMIA EN LA FABRICACION

Para la máxima economía en la selección de un material, se debe seguir una serie defactores, los cuales se indican a continuación.

• Tipo de aleación del material.




• Forma de suministro del material: barra, alambre, tubo, plancha, lámina, etc.

• Tamaño de la pieza: dimensiones y tolerancias.

• Condición y tipo de un posible Tratamiento Térmico.

• Terminación Superficial.

• Especificaciones de calidad.

• Cantidad.

• Maquinabilidad y/o soldabilidad.

Cuando las piezas tienen geometrías simples, por ejemplo un eje con un parde ranuras, es simple determinar desde donde se iniciará el proceso de fabricación.No ocurre lo mismo cuando una pieza es mas compleja, ya que se puede llegar a lapieza final por distintos caminos; en caso de necesitarse una pieza con una dadageometría, en la figura 7 se observa que el costo de la misma es proporcional a lacantidad de piezas a fabricar y de la forma en que es suministrado el material departida, y en este caso por ejemplo, la cantidad de volumen a ser removido pormecanizado. Generalmente, a medida que la cantidad de piezas se incrementa, es

justificable una mayorinversión inicial enherramental o enmaquinaria especial paraluego disminuir los costosde fabricación.

Figura 7. Comparacióncosto de una pieza,

función de la cantidad aproducir y la forma del

material de partida.

Son muy importantes las diferencias, de todo tipo, que existen en función dela técnica de fabricación que se determine para una dada pieza. Por ejemplo, en latabla 8 se observan algunas de las diferencias elementales entre una piezamecanizada y una pieza fundida en hierro.

Partiendo de formas básicas, el grado de complejidad de las geometrías sepuede ir complicando. A su vez, cada una de estas se pueden obtener por diferentesmétodos de fabricación. En la figura 8 se observa que una misma pieza se puedeobtener de 6 maneras distintas:

1. Mecanizada desde una barra sólida o un tubo.

2. Fundida en forma horizontal, con un noyo central.3. Fundida en forma vertical, con un noyo de tipo aro.




4. Forjado horizontal + mecanizado agujero central.

5. Forjado vertical + preformado previo para agujero central.

6. Partiendo de un tubo + soldadura de extremos.

Pieza Mecanizada Fundida

Costo del material Mayor (mas precisión en lacomposición química)

Menor (mayor cantidad deimpurezas)

Cantidad de material Menor (mecanizado de unapreforma)

Mayor (rebabas, defectossuperficiales, etc.)

Terminación superficial Mejor (si la última pasada determinación)

Peor (determinada por el tipo demolde utilizado)

Velocidad de fabricación Baja (dependiendo de los tiemposde máquina herramienta)

Alta (tiempo necesario para lasolidificación)

Propiedades mecánicas Mejor (dependiendo del materialy sus tratamientos térmicos)

Peor (material inhomogéneo,presencia de una fase C)

Tabla 8. Diferencias entre una pieza mecanizada y la misma pieza, pero fundida.

Figura 8. Algunos posibles métodos de fabricación para obtener una misma pieza.

A su vez se debe tener en cuenta que esta pieza se podría haber obtenido

por: 7. Colada centrífuga y 8. Doblado de un aro + soldadura longitudinal.



UNIDAD 2 - METALES

2.1.- Introducción, 2.2.- Metales ferrosos, 2.3.- Metales no ferrosos, 2.4.- Metales basealuminio, 2.5.- Metales base cobre, 2.6.- Otros metales no ferrosos, 2.7.- Obtención demetales, 2.8.- Obtención de productos terminados y semiterminados.

2.1.- INTRODUCCION

Los metales son los materiales mas empleados en construcciones mecánicas ya que,aparte de mantener un cierto grado de inalterabilidad, tiene muy buenas propiedadesestructurales (soportan altas solicitaciones mecánicas), son de muy alta conductividadeléctrica, alta conductividad térmica y demás propiedades. Otra característica notablees el brillo que poseen; si a simple vista no lo parece, es por que su superficie estaoxidada y/o tiene una alta rugosidad superficial; pero, si se remueve la capa de óxidoy/o se pule la superficie, se ve una matriz brillante ya que refleja los rayos de luz.

Los metales se dividen en dos tipos: ferrosos y no ferrosos, y desde ya que esa

clasificación depende si la aleación de la que están formados tiene o no hierro comomaterial base.

• Ferrosos: metales donde el material base es el hierro (Fe). El aleantefundamental para el hierro es el carbono (C) y luego otros elementos talescomo el silicio (Si), manganeso (Mn), azufre (S) y muchos otros. Tienen muyaltas propiedades tecnológicas y mecánicas.

• No ferrosos: son aquellos metales donde el hierro no esta presente en forma demetal base. Los mas usuales, tanto puros como sus aleaciones mas comunes,son el aluminio (Al), el cobre (Cu), el estaño (Sn), berilio (Br), níquel (Ni),plomo (Pb), magnesio (Mg), zinc (Zn) y titanio (Ti); algunas aleaciones son

típicas, tales como el bronce (Cu + Sn), los latones (Cu + Zn), varias dealuminio (Al + Si, Al + Si + Mg, etc.) y aleaciones base Zn (Zamac).Generalmente son de alta conductividad eléctrica y buenas propiedades frentea la corrosión y al desgaste.

En función de mejorar las calidades de los metales, usualmente se los mezclanentre si. A la variedad de mezclas se las llama aleaciones. En algunos casos se losmezclan para mejorar ciertas propiedades, tal como la resistencia a la rotura, y en otrospara darle algún tipo de característica singular, por ej. agregar Cr y Ni para que losaceros, mal llamados inoxidable, establezcanóxidos estables sobre la superficie.

Una particularidad de todas lasaleaciones, tanto ferrosas como no ferrosas,radica en que si las mismas están con bajostenores de elementos aleantes estas son paraoperaciones de deformación (conformado yforja), mientras que si están fuertementealeadas, generalmente son para operacionesde colada por fundición. Esto se aprecia en eldiagrama de estado de la figura 1.

Figura 1. Zonas para deformar y para colar.

Tecnología I - U2 - Metales - 1



2.2.- METALES FERROSOS

El hierro es el mas conocido y extensamente usado de los metales. El hierro en estadopuro tiene muy pocas aplicaciones ya que sus propiedades mecánicas son bajas.Usualmente se lo combina con C y de esa forma se generan los aceros y lasfundiciones; de la cantidad de C dependerá lo obtenido. En la práctica, las aleacionesde Fe-C se clasifican en tres grupos:

a) hierro comercial (dulce), con contenidos de C menores a 0,25 %.

b) aceros, con contenidos de C mayores a 0,25 % y menores a 1,7 %.

c) fundiciones, con contenidos de C mayores a 1,8 % y hasta 4,7 %.

a) Hierro comercial - Acero dulce

El hierro comercial, o acero dulce, se caracteriza por su bajo contenido de C. Si bien noes capaz de ser endurecido por tratamiento térmico, sin embargo, es altamentedeformable y forjable ya que posee bajos valores de endurecimiento por deformación.Se obtiene por medio de convertidores Bessemer o en hornos Martin-Siemens,eliminando los vestigios de C (si son mayores a 0,25 %) incluidos como impurezas en elhierro de partida. El punto de fusión del hierro puro es de 1535°C. Las impurezasperjudiciales mas corrientes son el azufre, el fósforo y el arsénico; en caliente, si elcontenido de S>0,025 % → no es apto para la forja ya que se vuelve frágil, generandogrietas y fisuras; en frío, el P y el As son fragilizantes (si el P es menor a 0,03 % reducepoco la tenacidad, pero si está en cantidades mayores entonces la tenacidad caefuertemente). Otras impurezas usuales en el hierro son el silicio (Si) y el manganeso(Mn), pero en este caso sus efectos son favorables; el Si, si se mantiene por debajo de

0,03 %, lo hace mas maleable (mas deformable) mientras que el Mn le da maleabilidady dureza. Desde ya que estos elementos están en formas de impurezas, es decir enforma no deseada y a su vez prácticamente imposible de eliminar.

En la figura 2 se observa el diagrama de fases para el hierro (Fe) aleado concarbono (C). La lectura de estosdiagramas no solo son útiles paradeterminar la presencia dedistintas fases en función de lascomposiciones, sino que indicanlas temperaturas para realizar

distintos tratamientos, inclusiveaquellas que generan un cambiode estado.

Figura 2. Diagrama de fasescorrespondiente a Fe-C.




de las grises. En las grises, al estar libre el grafito, estas tienen excelentes propiedadesfrente al desgaste (ya que poseen bajos coeficientes de rozamiento) y se debe a que elgrafito es sumamente lubricante. A su vez, que el grafito este libre en forma de nóduloses bueno ya que de esa forma se evitan discontinuidades en la matriz propias delgrafito libre cuando esta en forma vermicular. En la figura 3 se observan las distintas

morfologías de grafito libre para dichas fundiciones, incluidas las fundiciones maleables,en las cuales se precipita C libre desde una matriz blanca, es decir con la totalidad delcarbono combinado.

Figura 3. Distintas morfologías de C libre en forma de grafito.

2.3.- METALES NO FERROSOS

Los mas usuales son los conformados por aleaciones, o por estado puro, a partir delcobre (Cu), aluminio (Al), berilio (Br), níquel (Ni), zinc (Zn), plomo (Pb), magnesio (Mg)y titanio (Ti).

2.4.- METALES BASE ALUMINIO

→ Al puro

El aluminio es uno de los elementos que se encuentra en mayor cantidad en nuestro

planeta, superado únicamente por el silicio. El mismo no se encuentra en estado libre,pero forma parte en los óxidos de cualquier roca común. Sin embargo, recién se lopudo descubrir a mediados del siglo pasado y la explicación es sencilla: como tienegran afinidad con el oxígeno, es muy difícil liberar el metal de la partícula oxidada.Concretamente, recién se lo pudo extraer a fines del siglo pasado, con el desarrollo dela energía eléctrica. Entre 1890 y 1910 se desarrolló la primera aleación de Al (para sertrabajada por forja); se la denominó magnalium y contenía Al + magnesio (Mg); luego,a partir de 1930, el Al se extiende en gran escala, invadiendo todos los sectores de laindustria y del consumo.

Generalmente se denomina Al a cualquier metal ligero a base de Al y se logran

conseguir grados de pureza de hasta 99,99 %. Sin embargo, y debido a que dicho en




dicho porcentaje el Al solo sirve para contados casos, se lo obtiene en un porcentaje de99,5 %, considerándoselo una aleación. Las propiedades mas importantes del Al son:

a) Peso reducido: la densidad del Al es 2,6 gr/cm3, exactamente la tercera partedel hierro. Si una estructura de hierro pesa 1500 kg., la de Al pesará 500 kg.Esto es útil cuando no se necesita una propiedad mecánica típica del acero,por ej., un envase; cuando el peso muerto es un costo adicional de transporte,en la industria automotriz por ej.; y ni hablar cuando necesitamos bajos pesoscomo en la industria naval, o en la industria aeronáutica y aerospacial.

b) Resistente a bajas temperaturas: las características mecánicas del Al seincrementan a bajas temperaturas, con un efecto contrario a los aceros, quese fragilizan por el frío.

c) Anticorrosivos: si bien el Al es un elemento ávido de O, es por este motivo quese forma una fina capa de óxido, no permitiendo el ingreso de O en la matriz;esta capa se puede reforzar de forma química o electrolítica, siendo la mas

común la técnica de anodizado.d) Conductividad eléctrica: solo superado en este aspecto por el Cu (posee el

60% de su conductividad), pero su bajo peso específico le confiere una granventaja para el tendido de conductores aéreos. Si se necesitan grandeslongitudes de cables colgantes, se utilizan de Al. Otro tópico de interés del Alrespecto de las características eléctricas es que el mismo es No Magnético ytampoco genera chispas.

e) Conductividad térmica: es 4,5 veces la del acero y esta es una propiedad muydeseable en aplicaciones donde se requiere disipar el calor rápidamente(pistones, tapa de cilindros, utensilios de cocina, etc.). Sin embargo, es unmaterial importante como aislante térmico: su elevado poder de reflexión(debido a su brillo natural) y su baja capacidad de emisión de calor, hacen quese usen en ciertas persianas domésticas.

f) Facilidad de conformado: la baja temperatura de fusión del Al (658°C),permite el cómodo moldeo del material, la facilidad para ser soldado (contécnicas especiales) y la excelente respuesta frente a la deformación en frío,tal cual el extruído (método usual para obtención de perfiles) o el embutidoprofundo.

El Al se obtiene para dos procesos tecnológicos perfectamente diferentes, tal

como se observa en el Figura 1.i) Para ser utilizado por procesos de deformación en frío, tales como obtención porextrusión de perfiles para carpintería metálica, pastillas de partida para generación deenvases por embutido profundo rápido (envases de aerosoles, de tubos para pastadental, etc.) y obtención por laminado de planchas, desde espesores gruesos (placasde mas de 5 mm.) hasta espesores finos (foil, 0,005 mm de espesor).

ii) Para ser utilizado en piezas fundidas

En la tabla I se listan diferentes aleaciones base Al, con sus propiedades yutilizaciones típicas.




Aleación σ [MPa] σ0,2[MPa] ε [%] Utilizaciones

Forjadas sin Tratamientos Térmicos1100-O, >99%Al1100-H18

90165

34151

4010

Componentes eléctricos, foils/papeles, envasespara alimentos

3004-O, 1.2%Mn - 1.0%Mg3004-H18

179282

69248

259

Cuerpos para latas, perfilería para arquitectura

4043-O, 5.2%Si4043-H18

145282

69269

221

Metal de aporte para soldadura de Al

5182-O, 4.5%Mg5182-H18

289420

131393

254

Tapas para latas, componentes para usomarino

Forjadas con Tratamientos Térmicos2024-T4, 4.4%Cu 469 324 20 Llantas para camiones2090-T6, 2.4%Li - 2.7%Cu 551 517 6 Paneles/piel para industria aeronáutica4032-T6, 12%Si - 1%Mg 379 317 9 Pistones motores combustión interna6061-T6, 0.6%Si - 1%Mg 310 276 15 Industria automotriz, canoas.7075-T6, 5.6%Zn - 2.5%Mg 572 503 11 Estructuras y chasis para distintos usosColadas201-T6, 4.5%Cu 482 434 7 Carcasas para transmisiones319-F, 6%Si - 3.5%Cu 186 124 2 Fundiciones para uso general356-T6, 7%Si - 0.3%Mg 227 165 3 Piezas para uso aeronáutico380-F, 8.5%Si - 3.5%Cu 317 159 3 Carcasas para motores eléctricos390-F, 17%Si - 4.5%Cu 282 241 1 Partes motores combustión interna443-F, 5.2%SiMolde de arenaMolde metálicoPresión Cámara Fría

131159227

5562110

8109

Equipamientos para fabricación de alimentos,ajustes para uso marino,

O: Recocido, lo mas dúctil posible; H18: Deformado en frío, 75% de reducción; T4-T6: envejecido; F: As cast

Tabla I. Propiedades de algunas típicas aleaciones de aluminio.

En el diagrama de fases se distinguen el porcentaje de aleantes para obtenerdiferentes tipos de Al, ya sea para deformar o para moldear. A su vez, se definen lasaleaciones tratables térmicamente y las que no lo son.

→ Al + Cu, Al + Si, Al + Ni, Al + Mg + Zn + Mn, Al + ....

El cobre (Cu) es uno de los primeros elementos que se utilizaron para la aleación del Al. Aumenta su resistencia, así como la colabilidad. A su vez le da propiedades deforjabilidad para que sean trabajados en caliente, pero a la vez le disminuye laresistencia a la corrosión.

El silicio (Si), es uno de los mas interesantes elementos de aleación; se empleaen porcentajes del 9 % al 12 %, aumentando extraordinariamente la colabilidad. Sudenominación son los siluminios y son los mas empleados como aleaciones de moldeo.

Luego, el zinc (Zn) aumenta las propiedades de colabilidad en mayor medidaque el Cu, pero le disminuye la maleabilidad; esto significa que las aleaciones con zincson frágiles.

El níquel (Ni) le da grandes resistencias mecánicas a la aleación; como tienemuy poca colabilidad, solo se las emplea para forja y agregándole además Cu ymagnesio (Mg).




→ Duraluminio: Al + Cu + Mg + Mn

El duraluminio es el representante mas difundido del grupo de aleaciones de Al que seutilizan deformadas y que se endurecen por deformación. Contiene alrededor de 4 %de Cu, 0,5 % de Mg y 0,5 % de Mn. Estas aleaciones son tratables térmicamente,calentándose hasta 500

°C y enfriándose en agua. Obteniéndose altas propiedades

mecánicas (de hasta 50 Kg/mm2 de resistencia a la tracción), el gran inconveniente deesta aleación es su nula resistencia a la corrosión; la solución generalmente es unrecubrimiento de una película muy delgada de Al puro, la que actúa como barreraanticorrosiva.

2.5.- METALES BASE COBRE

→ Cu puro

El cobre es, con el aluminio, los metales no ferrosos mas extendidos. De la misma

forma que el oro (Au) y la plata (Ag), este se encuentra disponible en estado puro yesto explica que en la antigüedad el hombre lo haya utilizado en la edad de bronce,anterior a la edad de hierro. Los dos primeros, al no sufrir oxidación, se los denominametales nobles; al Cu se lo llama seminoble, dado que sufre poca oxidación. Es unmetal de color rojizo brillante, de alta ductilidad pero con baja tenacidad debido a susbajas propiedades mecánicas. Es de alta densidad: 8,93 gr/cm3 (incluso mas alta que ladel hierro, que es 7,8 gr/cm3); es resistente a la corrosión (en medios clorados osalinos), es fácil de unir (alta propiedades de soldabilidad) y además es muy buenconductor, tanto de electricidad como de calor. Cuando se lo usa como conductor decorriente, se lo necesita con muy bajo contenido de impurezas ya que estas disminuyenbruscamente dicha cualidad. Cuando el material de partida posee un alto grado deimpurezas entonces se usa para alear.

Las impurezas mas comunes en el Cu son el bismuto (Bi), el Fe, el níquel (Ni), elplomo (Pb), el S y el O, y generan sobre el distintas reacciones. El Pb y el Bi, que sonlos mas dañinos, generan fragilidad tanto en deformación en frío como en caliente; asu vez, la presencia de oxígeno aparece en forma de óxido cuproso (Cu2O) generandola enfermedad del hidrógeno, ya que este último reacciona con el óxido y creatensiones internas capases de generar grietas.

Los artículos de Cu generalmente se conforman por deformaciones en frío y porlo tanto se genera un endurecimiento superficial; para eliminar dicho endurecimiento y

poder seguir deformando (sin que se generen grietas propias del endurecimiento) se lerealiza un proceso de recristalizado (del orden de los 600°C) tal que la microestructuratoma las propiedades originales, ya que los granos vuelven a tener su tamaño inicial.

Tanto el Cu como sus aleaciones forman films protectores que aumentan laresistencia a la corrosión. Ciertas aleaciones se oscurecen rápidamente (tornándoseprácticamente negras) frente al O, aunque el color característico de estos es el verdeazulado; una forma de para evitarlo es recubrir la superficie con una fina capa de laca.

→ Bronces: Cu + Sn

Los bronces son aleaciones de cobre y estaño principalmente y estas porcentajespueden estar en proporciones variables; usualmente, aparte de ser una composición Cu




+ Sn, pueden tener como aleantes al Al, Ni, Si, Pb, Mn, y otros mas, encontrándoseestos elementos de aleación como impurezas. Su empleo mas usual es para hacerpiezas fundidas, aunque también se lo puede encontrar en forma de piezas forjadas operfiles extruídos. Unicamente se toman en cuenta las aleaciones con porcentajes deestaño menores a 30 %, ya que las que tienen mas son muy frágiles.

Los bronces con menos de 9 % de estaño se denominan maleables; estosbronces se deforman con suma facilidad, siendo apropiados para la deformación en frío(proceso de forjado en frío, o estampado). Es un material con altos porcentajes dedeformación (entre 20 % y 60 %, significa que antes de romperse, la probeta sobre lacual se le hace el ensayo de tracción se puede llegar a estirar mas de la mitad de sulongitud original). Su empleo se limita a piezas estampadas, a piezas acuñadas(monedas y medallas) y raramente a piezas fundidas.

Los bronces con porcentajes de Sn, entre 9 % < Sn < 23 %, se los denominabronces mecánicos y son los mas empleados industrialmente. Son mas duros que los

anteriores y soportan deformaciones en caliente. Se utilizan para piezas fundidas yforjadas, y si bien no soportan grandes cargas, se utiliza para rodamientos quetransmiten poca potencia.

Los bronces con valores de Sn entre 23 % y 30 % son poco usadosmecánicamente pero se han empleado extensamente en grandes piezas fundidas, talescomo campanas, estatuas, etc.

Los bronces con mas de 13 % de Sn son susceptibles a un tratamiento térmicode recristalizado; esto significa que si luego de haber endurecido una pieza pordeformación en frío (caso típico del alambre, que a medida que lo vamos doblando seva endureciendo, y a medida que se endurece aumenta su fragilidad, hasta que se

rompe) la calentamos a una temperatura superior a 500°C y lo enfriamos en aire, lapieza vuelve a tomar las propiedades originales. Esto ocurre debido a que los granosdel bronce, alterados por la deformación en frío, son regenerados en tamaño, forma yorientación.

Es usual que a los bronces con mas de 13 % de Sn se le agreguen contenidosde zinc (Zn) entre 5 % y 10 %; esto únicamente se realiza para disminuir el costo de laaleación ya que el Zn se disuelve en el Cu, no ejerciendo una influencia importantesobre la estructura.

Para mejorar ciertos bronces frente al desgaste, además de mejorar lamaquinabilidad (facilidad a ser transformado de forma por medio de arranque deviruta), es usual que se les agregue plomo (Pb). También es usual un agregado de Ni,ya que me permite usar mas Pb, y por ende usar menos Cu (metal mas valioso que elNi y que el Pb). El silicio (Si) le aumenta la dureza al bronce; el Ni, al igual que elmanganeso (Mn), le aumentan la resistencia a la corrosión.

Los bronces al aluminio, son las aleaciones Cu + Sn + Al, donde predomina elprimero. El porcentaje de Al no será mayor a 12 %, ya que sino son aleaciones frágiles.Son mas duros y resistentes que los bronces de Cu + Sn, y su temperatura derecristalizado es de 700°C; con porcentajes de Al menores a 8 %, son apropiados paradeformación en frío. Dado que cristaliza en un estrecho intervalo de temperatura, luego

su fluidez es elevada y produce un único rechupe concentrado. Son altamente




resistentes a la corrosión y en especial al agua de mar, por lo que se los empleanampliamente en construcciones navales.

→ Latones: Cu + Zn

Son las aleaciones entre cobre y zinc. Su empleo esta muy difundido, tanto en piezasfundidas como en perfiles, chapas, alambres, etc. Corrientemente toda la grifería es delatón; últimamente a estas se les da un acabado superficial, que pueden ser a base deepoxis, metalizados, etc., pero el material base es latón. El porcentaje máximo de zinc(Zn) es de 45 %, y por ende le baja mucho el costo a la aleación. Si el porcentaje deZn es menor a 30 %, entonces es un material sumamente apto para deformación enfrío, especialmente para piezas que serán embutidas; el material de las ollas sonlatones de menos de 30 % de Zn. Para realizar grandes reducciones de espesor seutilizan procesos de deformación en caliente; en este caso se utilizan porcentajes de Znsuperiores al 30 %; dicha aleación, mas barata, al ser deformada en caliente no

obtiene buena acabado superficial.Recristalizados a temperaturas de 800°C, los latones retoman sus propiedades

originales. Otras piezas típicas de latón son los tornillos y algunas herramientas.

Además de los latones ordinarios, es decir aleaciones de Cu + Zn, se utilizanlatones especiales, los cuales, bajo aleantes específicos, modifican su comportamiento.

Algunos son:

Cu + Zn + Pb; con un 1 % - 2 % de Pb, se mejora la maquinabilidad.

Cu + Zn + Sn; denominado latón naval, aumenta la resistencia a la corrosión de mar.

Cu + Zn + Al + Ni; se elevan considerablemente las propiedades mecánicas.

2.6.- OTROS METALES NO FERROSOS

Berilio

El berilio (Be) tiene la particularidad de tener muy baja densidad, del orden de la mitadque la del aluminio, muy buenas propiedades mecánicas (tanto en función del pesocomo de la densidad), excelentes propiedades de estabilidad dimensional y buenatransparencia frente a Rayos X. Las desventajas de este metal es su elevado costo ysus bajas propiedades frente al impacto.

Si bien forma una fina pero estable capa de óxido protectora cuando este seencuentra expuesto al aire, sus propiedades respecto de la corrosión disminuyencuando se encuentran, durante largos períodos de tiempo, en medios acuosos (neutrosy/o clorados) o en medios corrosivos que incluyan alta humedad. Este comportamientose puede mejorar aplicando técnicas tanto de recubrimiento como de modificaciónsuperficial.

Si bien todas las técnicas de mecanizado son posibles, se debe tener cuidadodado el grado de toxicidad de las partículas de Be. Respecto a sus propiedades frente ala soldadura, las mismas no son buenas ya que usualmente hay un gran crecimiento degrano y una disminución de las propiedades mecánicas.




Zinc

El Zn es un metal cristalino, de moderadas propiedades mecánicas, que usualmente seutiliza como elemento base de diferentes aleaciones y que únicamente aparece enestado puro cuando se lo utiliza como recubrimiento. El Zn protege frente a la corrosióna metales ferrosos (por Hot Dipping y por Electrogalvanizado), y también aparececombinado en polímeros y elastómeros (como inhibidor de envejecimiento).

El Zn, utilizado como elemento base de aleación, provee muy buena colabilidadcuando esta aleado con Al, sobre todo en técnicas de molde metálicos, generalmenteasistidos por presión; el nombre comercial de la aleación es Zamac. Debido a su buenaterminación superficial, aleaciones con % de Zn son utilizadas en aquellas piezasdonde, además de tener buenas propiedades, son utilizadas con fines estéticos:

juguetes, carcasas de electrodomésticos, repuestos industria automotriz, bases deespejos, manijas, logos, hebillas, etc. En la tabla II se listan distintas aleaciones.

Al Mg Cu Fe Pb Sn Cd

ZAMAC 2 3.9 - 4.3 0.03 - 0.06 2.75 - 3.25 0.075 máx 0.003 máx 0.001 máx 0.002 máx

ZAMAC 3 3.9 - 4.3 0.03 - 0.06 0.03 máx. 0.075 máx 0.003 máx 0.001 máx 0.002 máx


ZAMAC 7 3.9 - 4.3 0.005 - 0.02 0.10 máx. 0.075 máx 0.003 máx 0.001 máx 0.002 máx




TONSUL 3.9 - 4.3 0.5 - 0.6 2.75 - 3.25 0.075 máx 0.003 máx 0.001 máx 0.002 máx

Tabla II. Diferentes aleaciones base Zn; balance en Zn.

Plomo

Las características principales del plomo, además de su alta densidad (11,4 gr/cm3), essu buen comportamiento frente a la mayoría de los ataques químicos, tanto en mediosmarinos como en industriales. Su bajo punto de fusión (327°C), su facilidad deconformado y la alta absorción, tanto de sonido como de vibraciones, hacen que hayasido muy utilizado hace tiempo atrás, pero superado por los nuevos materiales; su altaabsorción a distintos tipos de Rayos X y Gamma, hacen que se utilicen como elementosde protección en dichas actividades.

El 'Plomo Duro', con contenidos de antimonio (Sb) entre 1 y 13 %, tienepropiedades mecánicas tales que pueden ser llegar a ser utilizados en algunasaplicaciones especiales.

Aleaciones a partir del Mg, partiendo del Mg puro

→ Mg puro

El Mg, de la misma forma que el Al, se comenzó a utilizar masivamente a principios del

siglo XX. Si bien en 1930 se produjeron 40 Tn en todo el mundo, en 1943 (pleno augede la 2º Guerra Mundial) se produjeron mas de 400.000 Tn.




De todos los metales industriales es el de mas baja densidad tiene. La misma, de1,7 gr/cm3, frente a 2,6 gr/cm3 del Al y a 7,8 gr/cm3 del hierro, hizo que este metal ysus aleaciones se utilizasen en diversas ramas, pero sobre todo en la aerospacial. Suspropiedades mecánicas, así como su resistencia a la corrosión, son malas. Unicamentealeado mejora sus propiedades.

→ Aleaciones ultraligeras: Mg + Al + Zn + ...

Las aleaciones ultraligeras son aleaciones a base de magnesio mas un agregado de Al,de zinc (Zn) y de manganeso (Mg); si bien estos últimos elementos están en bajosporcentajes, deben estar presentes en la aleación para darle alguna característicamecánica. Luego, si bien no son tan resistentes como las aleaciones a base de Al, lamisma tiene una muy baja densidad, aproximadamente 1,8 gr/cm3. La utilización deestas aleaciones son muy específicas ya que no se pueden deformar en frío y aparteresulta difícil, ya que sufren grandes contracciones, colar piezas; la solución para este

último problema es el estudio de una matriz perfectamente diseñada ya que luego deque la pieza se enfríe, la contracción de la aleación no genere grietas sobre la misma.Otro problema de estas aleaciones ultralivianas es la poca resistencia a la corrosión; susolución es un posterior tratado superficial, ya sea de pintado o por algúnprocedimiento químico.

Aleaciones a partir del Ti, partiendo del Ti puro

→ Ti puro y aleaciones de Ti

El ritmo tan extraordinario de aumento en la producción y empleo del titanio se debe a

su baja densidad (4,5 gr/cm3) y sus excelentes propiedades mecánicas. Si bien seencuentra en alta cantidad en la corteza terrestre, dado que su modo de obtención escaro, esto lo hace un metal de alto costo; luego, se prevé una mayor utilización de Tiya que las tecnologías de extracción y obtención se van modernizando y por endedisminuyendo los costos. Las propiedades del Ti dependen mucho de su pureza,disminuyendo las mismas al aumentar el porcentaje de aleantes. Se puede estamparperfectamente y se suelda sin ninguna dificultad.

Los aleantes mas usuales del Ti son el Al y el Mg. El vanadio (V) y el molibdeno(Mo) son aleantes específicos para determinadas especificaciones. Aparte de modificaralgunas propiedades (haciéndolo mas dúctil, o mas duro, etc.) se disminuye

considerablemente el costo de la aleación.

2.7.- OBTENCION DE METALES

Obtención de metales ferrosos

El método corriente para la obtención de hierro y luego, mas un contenido de carbono(C), acero se realiza en altos hornos. Este metal de primera fusión se denomina arrabioy luego, eliminando los contenidos excesivos de C, de Si, de fósforo (P) y de azufre (S)mediante hornos convertidores Bessemer, o en hornos Martin-Siemens o bien enhornos eléctricos, se transforma en acero.




Altos hornos

La obtención del arrabio se logra mezclando el mineral, por supuesto a base de hierro,con carbón; a altas temperaturas se genera una descomposición del mineral y queda elhierro libre.

Estos hornos tienen una forma especial, tal como lo muestra la Figura 4. Sualtura oscila entre 25 m. y 30 m. (es decir un edificio de aproximadamente 10 pisos) ysi bien exteriormente son metálicos, están recubiertos de un material refractario(ladrillos) para disminuir fugas de calor. Se cargan por la parte superior con la mezcladel mineral rico en hierro, el coque (como se lo llama comúnmente al carbón) y unfúndente que ayude la fusión de la mezcla. Para su carga, que se realiza a través deltragante, se utilizan mecanismos especiales ya que los volúmenes de carga sonenormes; un alto horno normalcarga alrededor de 600 Tn. por día,y desde ya que operan las 24 hs.

del día.

Figura 4. Alto horno.

Las paredes del horno forman un tronco de cono con su base mayor hacia abajohasta llegar a la parte mas ancha, denominado vientre; luego se empieza a estrecharnuevamente, zona que se denomina de atalajes. En la parte inferior de esta zona hayuna serie de toberas que, alimentadas por una caja de vientos, inyectan aire caliente aalta presión. Por debajo de las toberas se encuentra el crisol, que es el recipientedonde se encuentra el metal en estado líquido. Tanto el metal líquido como la escoria,se extraen por respectivos orificios, alrededor del crisol.

La masa líquida que queda en el crisol esta constituida por metal líquido y poruna serie de impurezas que, al tener menor densidad del Fe líquido, flotan sobre este.Esta escoria se extrae por un orificio a una altura superior al orificio de colada, de modo

que se puede separar perfectamente el metal líquido de la escoria.

Las máximas temperaturas que se logran en los altos hornos son de alrededorde 1750°C, y se localizan alrededor del vientre. Ya en la zona de atalaje la temperaturadentro del horno desciende hasta los 1200°C (lugar donde se separa químicamente elFe de todos los elementos que forman la escoria), para luego subir en el crisol porencima de 1500°C, y que es la temperatura de fusión del Fe.

Las impurezas que se encuentran en el arrabio, aparte de las gruesas que sevan con la escoria, varían de acuerdo al mineral inicial del cual se extrae el Fe. Sinembargo, el arrabio generalmente se puede hallar con la siguiente composición:

C: 3 - 4 %; Si: 1 - 4%; S: 0,04 - 0,2 %; P: 0,1 - 2 %; Mn: 0,2 - 2,5 %.




Por lo tanto el arrabio tendrá 95,66 % de Fe en el caso de máxima pureza y87,3 % de Fe en el caso de mínima pureza. En función del % de Fe, el arrabio luego sederiva en dos caminos: hacia los hornos refinadores del arrabio, donde se obtienen losaceros, o hacia los hornos de fundición, siendo los de cubilote los mas usuales (aunqueen los últimos años han tomado importancia los hornos eléctricos, tanto los de arco

como los de inducción), donde se obtiene el material para piezas fundidas, es decir conmas de 1,7 % de C, y desde ya, temperaturas superiores a 1350°C.

Los principales hornos refinadores del arrabio son cuatro: a) convertidoresBessemer; b) horno básico de oxígeno; c) hornos Martin-Siemens; d) hornos eléctricos.La gran ventaja de estos hornos refinadores, así como los hornos eléctricos, es que alser cargas discretas y no continuas (tales como en altos hornos y cubilotes, ya que amedida que se va cargando se va sangrando), el control de la composición química esmucho mas fino. En la figura 5 se observa el esquema del recorrido para la obtencióndel acero y fundiciones.

Figura 5. Esquema del recorrido para la obtención de arrabio de primera fusión,y su posterior procesamiento, ya sea refinándolo en acero o para fundición.

a) Convertidores Bessemer

Para transformar el hierro obtenido del alto horno en acero, es necesario eliminar de lafundición los elementos cuyos porcentajes sean excesivos. Generalmente estos sonCarbono, Silicio, Fósforo, Azufre y Manganeso. Esta eliminación se logra haciendo pasaraire a altas temperaturas entre el metal líquido. El convertidor tiene la forma de lafigura 6; exteriormente es de hierro, y a una cierta altura tiene un par de pernosalrededor de los cuales puede rotar, permitiendo de ese modo la carga y descarga delconvertidor. Por uno de los pernos se le puede transmitir un movimiento de modo quehace bascular al convertidor; por el otro está la entrada del aire comprimido a altatemperatura, que mediante tubos se dirige hasta el fondo del convertidor, lugar desdedonde se lo aplica al metal líquido. Interiormente el convertidor esta revestido con

ladrillos refractarios y los mismos cumplen una doble tarea ya que aparte de mantener




el calor dentro del convertidor, generan la superficie donde se van a formar las escorias(que contienen todas las impurezas que queremos eliminar).

Si el recubrimiento es a base de Silicio,por ende denominado silicoso, el convertidortoma el nombre de Bessemer. Estos se usanpara contenidos menores al 1 % de P, ya queun acero de mayor contenido de P obtenidoen un convertidor Bessemer sería totalmentefrágil.

Figura 6. Corte y volteo sobre un

convertidor Bessemer; elimina las impurezasdel arrabio, convirtiéndolo en acero.

La operación en el convertidor dura entre 10 y 15 min. y la capacidad de cargade estos aparatos oscilan entre 8 y 10 Tn. En función de que el convertidor es giratorio,mientras se lo carga el mismo esta casi horizontal, evitando de esa forma que el metallíquido se introduzca dentro de los agujeros de ingreso de aire. Una vez que ya estacargado, y con el aire en funcionamiento, se lo pone en posición vertical durante eltiempo antedicho. Para la descarga, o vaciado, se realiza una operación análoga.

b) Hornos básicos de oxígeno

Estos hornos, también llamados BOF (Basic Oxigen Furnace) se cargan con arrabiolíquido, chatarras (material de descarte), mineral a base de hierro y algún agregado defundente (para mejorar la fusión de la aleación). El funcionamiento y las reaccionesquímicas son análogas a las del convertidor Bessemer, solo que el oxígeno, en vez deentrar por la parte inferior del recipiente, ingresa en estado puro por medio de unalanza. Tal cual se observa en la figura 7, cuando el horno esta cargado y en posición,se introduce la lanza soplando una fuerte dosis de oxígeno a presión. Este oxígenogenera una reacción química que gracias a la

oxidación del fósforo y el azufre, disminuye losporcentajes de dichos materiales en el metalfundido. Una vez terminado el proceso sevuelca el metal, previa eliminación de laescoria, sobre lingoteras apropiadas.

Figura 7. Esquema de un BOF.




c) Hornos Martin-Siemens

Ya desactualizados por bajos rendimientos, estos hornos trabajan con grandes cámaras

de recuperación de calor, la cuales van situadas por debajo del crisol. El combustiblepara lograr la combustión en estos hornos generalmente es gas. Estos hornos puedenprecalentar tanto el aire como el gas que se inyecta para la combustión. Esteprecalentamiento se logra a través del calor que despiden los gases de escape, loscuales son generados dentro del horno.

Gracias al precalentamiento del aire, la temperatura generada en la pileta es talque logra la fusión del hierro. En estos hornos se pueden utilizar chatarras que con elagregado de arrabio, se logra extraer acero.

d) Hornos eléctricos Para la obtención de aceros de alta calidad se utilizan los hornos eléctricos. Con estoshornos se puede regular con alta precisión la composición del metal fundido. A su vez,la eliminación de la escoria, que se encuentra en pequeña cantidad ya que no haypresencia de O, es prácticamente perfecta. Estos hornos eléctricos pueden ser de arcoo de inducción.

En los de arco (figura 8), una gran chispa salta entre electrodos de grafito,situados dentro del horno; otra forma es que salte entre un electrodo y la masa demetal a fundir. Aparte de poder conseguirselímites de regulación muy estrechos, losrendimientos de estas unidades de fusión sonextremadamente elevados.

Figura 8. Horno eléctrico de arco.

En los de inducción (figura 9), el metal a fundir sirve de núcleo a una bobina dealta frecuencia, que mediante el flujo de corriente que corre a través de el genera lastemperaturas tales como para fundir el metal. Aparte de contar con las ventajas de loshornos eléctricos de arco, cuentan con la ventaja que la agitación del metal fundidodentro del horno es muy severo; luego, la composición química del acero obtenida esperfectamente homogénea, sobre todo teniendo en cuenta que se trabaja con variosaleantes, pero en bajos porcentaje de cada uno de ellos.

En estos hornos se pueden lograr aceros cuyos contenidos de fósforo y azufres

menor al 0,04 %. En ellos es donde se realizan todos los aceros de composicióncontrolada, ya que es el único horno que lo permite.




La diferencia entre hornoseléctricos refinadores y hornos eléctricosde fundición esta directamenterelacionado con la capacidad del mismo,y si bien los refinadores suelen ser de

mayor tamaño, hay horno eléctricos dearco para fundición de hasta 10 Tn decapacidad.

Figura 9. Horno eléctrico de inducción.

→ Obtención de metales no ferrosos

→ Esquema del recorrido para la obtención del cobre Mas allá de que los métodos sean similares a los aceros, en la figura 10 se observa elrecorrido del Cu. El hecho de que el cobre sea un metal semi precioso hace que el %destinado para refinamiento a través de cubas electrolíticas sea mucho mayor.

Figura 10. Esquema del recorrido para la obtención de Cu de primera fusión,

y su posterior procesamiento, ya sea refinándolo en Cu electrolítico o para fundición.




→ Obtención del Al

La fabricación industrial del Al utiliza como materia prima la 'bauxita', que es unamezcla de óxidos de hierro y de aluminio, acompañados a veces de óxidos de Si masotros elementos. La operación de obtención se divide en dos etapas de reducción(figura 11):

1º reducción: aislamiento de la alúmina, esdecir los óxidos de Al.

2º reducción: obtención del Al, por mediode electrólisis aplicada a la alúmina fundida.

Figura 11. Obtención de Alúmina a partirde Bauxita; luego, obtención del Aluminio

partir de Alúmina.a

Para obtener la alúmina de la bauxita, se utiliza el método Bayer; utilizando 2 Tnde bauxita + 2 Tn de carbón, se obtiene una tonelada de alúmina. La bauxita (llamadaasí ya que uno de los primeros yacimientos se encontraban en Baux, Francia) no seencuentra distribuida de manera homogénea. Algunos países, como España y

Argentina, en vez de importar bauxita, directamente importan alúmina, y eliminan laprimera etapa.

El segundo paso se consigue por medio de electrólisis. En la figura 12 se ve elciclo completo. Incluidas las cubas electrolíticas (sistema Söderberg), en la cual sedeposita la alúmina, que agregándole una pequeña cantidad de carbono (que ingresa alsistema por medio de los electrodos), pero una gran cantidad de energía eléctrica, seobtiene el Al. Para obtener 1 Tn. de Al hace falta 2 Tn. de alúmina, 0,6 Tn. de carbón yuna energía del orden de los 20 kW. Estas cubas trabajan en ritmo continuo,sangrándole el aluminio producido a medida que se le agrega alúminasistemáticamente, renovándose automáticamente los electrodos.

Figura 12. Ciclo completo, partiendo de bauxita, precipitando alúmina (Al2O3)y reduciendo para obtener aluminio.




Estos métodos obtienen Al con una pureza del orden del 99,4 % al 99,8 %.Cuando es necesario un aluminio superpuro, en el orden de 99,99 %, se necesitantécnicas de electrólisis mas complejas.

Para hacer piezas fundidas en aluminio, y debido a que este tiene bajo punto defusión, la primera fusión se realiza generalmente en hornos de reverbero (ya se veránmas adelante), mientras que el ataque a los moldes se realiza en pequeños hornos demantenimiento, generalmente de tipo crisol, donde, además de desgasificarlo, se lorefina y se le agregan los aleantes. Cuando se utiliza Al para piezas fundidas, se locombina con grandes cantidades de Si (del 8 % al 14 %); el Si le disminuye el puntode fusión, además de otorgarle a la aleación propiedades de colabilidad.

Por último, de la misma forma que con el hierro y el cobre, cuanto mas puro (omenos aleado) se encuentra el metal base, mayor es la ductilidad de la aleación y porlo tanto mayores son las deformaciones capaces de admitir. Un clásico ejemplo de estoes el papel de aluminio de uso doméstico o de uso medicinal (como respaldo de los

blisters contenedores de comprimidos), en donde los espesores son menores a 70 μm,y donde para obtener semejantes deformaciones, se necesitan Al de mas de 99,9%. Enel caso de aleaciones ferrosas, cuanto mas fina es la chapa que sale de los laminadoresen frío, menor es el contenido de aleantes, llegando a porcentajes de C menores de0,03 % (lo que definiría un SAE 1003) para espesores menores a 250 μm.

2.8.- OBTENCION DE PRODUCTOS TERMINADOS Y SEMITERMINADOS

Operaciones de terminación

Se denomina como producto 'terminado', u operaciones de terminación, a aquellos

productos que no necesita otra operación para que el mismo pueda ser utilizado. Losprocesos involucrados para obtener un producto terminado pueden ser:

Fundición

Obtención de la forma deseada por medio de la solidificación de un metal fundidodentro de una preforma establecida, generalmente un molde que suele ser de arenapara aleaciones de muy alto y alto punto de fusión, o moldes metálicos para aleacionesde bajo y muy bajo punto de fusión.

Forja

Obtención de la forma deseada por deformación, pudiendo ser esta en frío o en

caliente. En frío, las deformaciones posibles de obtener son menores, pero la piezamejora sus propiedades mecánicas (endurecimiento por deformación), además de queno hay oxidación superficial. En caliente, las deformaciones posibles son mayores yaque hay una continua recristalización; por otro lado, como las temperaturas de forjason elevadas (entre 800 y 1000°C para ferrosos), se genera una gran oxidaciónsuperficial.

Conformado de la chapa

Como en las dos operaciones anteriores, esta es una obtención de formas sin pérdidade material (despreciando el recorte). Las operaciones de corte, doblado, curvado,embutido, bordonado, engrapado, etc., son propias para materiales en donde el

espesor es menor. Independientemente de los materiales a conformar, los mismosdeberán ser dúctiles. De la misma forma que en forja, en estas técnicas se utilizan




estampas, generalmente construidas por medio de un punzón superior que desciende,interfiere con la chapa a conformar, y corta o deforma sobre una matriz inferior.

Soldadura

Obtención de la forma final por medio de cordones de soldadura, estableciendo en

algunos casos uniones de muy altas propiedades mecánicas. Estas uniones pueden serde estado líquido o estado sólido. Esta técnica de fabricación es de gran versatilidad yde gran sencillez, mas allá de que para piezas de alta complejidad geométrica o queestén muy solicitadas mecánicamente, se deben tener especiales cuidados durante laoperación y en los ensayos posteriores (no destructivos, desde ya) para determinar elestado de la misma.

Mecanizado

Naturalmente, es la obtención de la forma por arranque de viruta. Se basa en elprincipio de un material de mayor dureza (que actúa como herramienta) que mecanizaa uno de menor dureza. Mas allá de las operaciones manuales, hay una gran variedad

de máquinas herramientas capaces de obtener distintas geometrías y calidades derugosidad superficial.

Metalurgia de Polvos o Pulvimetalurgía

Sinterizado de polvos metálicos. Es la unión de ellos mediante la aplicación combinadade altas temperaturas y presiones. La técnica es similar al conformado de piezascerámicas, donde también es crítica la operación de sinterizado.

Operaciones de semiterminación

Se denomina como producto 'semiterminado' a aquel producto que necesita de algunaoperación, o no, para que el mismo pueda ser utilizado. Todos estos sistemas de muyalta producción. Los procesos involucrados para obtener un producto semiterminadopueden ser:

Laminado

Reducción sucesiva de espesores, haciendo pasar el material a través de rodillos loscuales comprimen el metal. Puede ser en frío o en caliente. Se obtienen deformacionesplanas (planchas, placas, etc.) o con preforma establecida por el rodillo (perfiles T, L, U,etc.). Son operaciones de alta complejidad, realizadas en siderurgias de gran porte.

Trefilado

Reducción se secciones mediante la aplicación de una fuerza que tira del material,haciéndolo pasar a través de una matriz que le determina su sección. Es típico enobtención de alambres.

Extrusión

Reducción de una sección empujando el material a través de una matriz; la analogíaperfecta es la máquina de hacer churros. La extrusión puede ser Directa e Inversa.

Fundición

Se los denomina procesos de Colada Continua, y se utilizan para alimentar, en algunos

casos, los trenes de laminación. Solidifican a medida que se van colando, ya que pasana través de grandes enfriadores. Mediante esta técnica se pueden conforman “slabs”,





tochos, redondos, planchones, es decir, diferentes geometrías en función de lautilización posterior.



UNIDAD 2.1.- FUNDICION

2.1.1.- Introducción, 2.1.2.- Modelos, 2.1.3.- Materiales de moldeo., 2.1.4.- Fabricación demoldes y noyos, 2.1.5.- Sistemas especiales de moldeo, 2.1.6.- Fusión y colada del metal.

2.1.1.- INTRODUCCION

La fundición es una de las técnicas mas antiguas para darle forma a un determinadomaterial. Consiste en incrementarle la temperatura por encima de su temperatura defusión y una vez que está en estado líquido, se lo vierte en la cavidad de moldeorefractaria, en donde pierde calor, solidificando por lo tanto con la forma deseada. Es unatécnica que se usa para todo tipo de metales (aceros, fundiciones, bronces, latones,aluminio, aleaciones ligeras, etc.).

La ventaja de las fundiciones es que se logran piezas con determinadas geometríasque de fabricarlas por algún otro método, en algunos casos sería prácticamente imposibley en otros con un costo extremadamente alto. Es una técnica apropiada para piezas de

forma complicada o de gran tamaño, así como para grandes series.Sin embargo, las piezas metálicas obtenidas por fundición no siempre se utilizan

como son obtenidas sino que en ciertos lugares se les debe realizar algún tipo demecanizado. Esto es debido a que el grado de terminación superficial no es bueno, sobretodo cuando se utilizan materiales de moldeo de alta granulometría.

Clasificación de los tipos de colada

Desde ya que hay numerosos métodos para obtener piezas por fundición. Hay un primerconcepto que radica en si la cavidad de moldeo es descartable o no. Lógicamente será

descartable si para extraer la pieza en cuestión se rompe la cavidad de moldeo, y estoocurre en mas del 95 % de la piezas ferrosas, ya que las cavidades se realizan condiferentes arenas y/o "harinas" de moldeo en función de la refractariedad de las mismas,necesarias para soportar temperaturas entre 1300 y 1600°C. Por otro lado, cuando lo quese cuela es Al, debido a que su Tf =660°C, casi el 50 % de los casos se cuelan en moldesmetálicos (ferrosos), por lo que son moldes permanentes.

Algo similar ocurre con los modelos. La construcción del modelo es fundamental, yaque en función de la geometría, dimensiones y hasta el material del mismo, será la piezaobtenida. Mientras que un modelo permanente sirve para moldear varias cavidades demoldeo, con un modelo perdido, este se pierde ya sea en el momento de la colada

(modelos vaporizantes - PSexp) o previamente a la colada, dejando la cavidad libre(modelos de cera).

Por otro lado, la selección de las arenas de moldeo y la calidad del material delmodelo, determinarán en parte la calidad superficial de la pieza.

En la figura 1 se especifican las técnicas de moldeo mas usuales. Al ser unapractica milenaria, existen otras técnicas que no se desarrollarán en el curso, ya que se lasutilizan en casos específicos.

Fases de la fundición

El proceso para hacer una pieza colada, consiste de cuatro operaciones principales:

Tecnología I - U2.1 - Fundición - 1



1º) fabricación del modelo.

2º) operaciones de moldeo.

3º) fusión del metal.

4º) colada del metal fundido.

Figura 1. Técnicas usuales de moldeo y colada.

A estas cuatro operaciones principales se le suele adosar la extracción de la pieza,el desbarbado (limpiezas de rebarbas), la eliminación del bebedero y la mazarota, lastareas de inspección, el tratamiento y recuperación de las arenas de moldeo, etc. Seanalizará cada una de estas fases anteriormente definidas como importantes, teniendo encuenta el tipo de colada empleado.

Naturalmente, los materiales son susceptibles a cambios en sus propiedadescuando se incrementa o disminuye la temperatura. Una de las variaciones mas sensiblesson las dimensionales y en esta técnica hay dos contracciones fundamentales, y de las

cuales se dan datos en la tabla I:i.- por cambio de estado líquido a sólido, en donde las contracciones son importantes ypor lo tanto se deberá contemplar, en los casos que sea necesario, la colocación de re-alimentadores y/o montantes y/o mazarotas para que la pieza no quede rechupada.

ii.- en estado sólido, aquellas que serán contempladas por un sobredimensionamiento delmodelo y que responden a la ecuación Lf = L0 + L0.γ. ∆ T, siendo γ el coeficiente dedilatación térmica.




Tabla I. Contracciones por cambio deestado y estado sólido, en moldes dearena.

Por otro lado, en la figura 2 seobserva el camino que realizan tanto lasarenas como el metal, tanto cuando seencuentra en estado líquido, hastacuando esta en estado sólido. Se debetener en cuenta que cuando se habla defundición de ferrosos en moldes dearena, se estima un consumo de arena en peso de 2,5 veces el peso de la colada, lo quesignifica que si se cuelan 400 kg cada 10 minutos, se consumirán 6 Tn de arena por hora.Esto determina que las políticas de recuperación y/o reciclado de arenas, sea crítico en

este tipo de industrias. La ventaja de colar piezas de material con bajas (Al) y muy bajastemperaturas de fusión (Pb, Sn, Zn, etc.), es que, además de disminuir el costo delcalentamiento, generalmente se utilizan moldes metálicos permanentes.

AleaciónCambio

de estadoEstadosólido

Acero Fundido – AF 2,50–4,00 1,60

Fundición Gris – FG 1,90 0,83 – 1,30

Fundición Nodular – FN 1,70 0,83 – 1,00

Fundición Blanca – FB 4,75 2,10

Aleaciones de Cobre 4,90 1,00 – 1,60

Aleaciones de Aluminio 6,60 1,30

Aleaciones de Magnesio 4,00 1,30

Figura 2. Flujo típico para fundir piezas en moldes de arenas




Por último, y antes de indicar la recorrida por las distintas fases para obtener unapieza fundida, en la figura 3 se observa, sobre una cavidad moldeada en arena, lasdiferentes partes de un molde.

Figura 3. Cavidad de moldeo en molde de arena.

2.1.2.- MODELOS

Un modelo es una pieza de madera, polimérica, metálica o de algún materialcompuesto, que permite moldear la cavidad de moldeo. Por lo tanto, los modelos sonsimilares a las piezas a obtener, y generan en los moldes todas las superficies inversasa las suyas.

Generalmente los modelos son permanentes y por lo tanto se emplean pararealizar múltiples cajas. Dentro de las herramientas para fabricar el molde, aparecen lascajas de noyos, dispositivos dentro de los cuales se consolidan los noyos, que definirán

cavidades dentro de las piezas coladas.

La selección del tipo de modelo, además del material del modelo, dependerá devarios factores: número de piezas a colar, el tamaño y la forma de la pieza, la técnicade moldeo utilizada y de varios otros factores, uno de los cuales será la precisióndimensional. Usualmente todas estas alternativas estarán en manos del modelista,encargado de construir el modelo.

Una vez concebida la pieza a fundir, se define la forma de moldear, la posición delmodelo dentro del molde (que será la mejor desde el punto de vista del desmodelado,es decir extraer el modelo una vez que se termina de moldear) y si el modelo es entero

y/o partido (lo que definirán líneas de partición). En la figura 3, esquemáticamente seve que si la pieza esta moldeada en las opciones a) y b), se debería contar con




noyos/insertos y/o trabajar con un modelo en tres partes, mientras que si se moldea enla opción c), no hay problemas en el desmodelado, mas allá de la presencia de lasneas de partición.

odelar un medio modeloieza simétrica).

ensiones de la

écnicas de moldeo de precisión generalmente no necesitan mecanizadosposter

mm, ló

bentonita + agua) tienden a hidratar la madera, con las posterioreseformaciones).

lí

Figura 3. Ubicación de un modelo paraevitar contrasalidas. La opción c) es la únicaque permite desm(p

En cuanto a las dimensiones de la pieza a reproducir; estas serán un pocomayores a las de la pieza final deseada, ya que deberá contemplar las contracciones del

material en estado sólido (tabla I). Si bien las contracciones son volumétricas, estas semanifiestan preferencialmente en aquellas direcciones en donde las dimpieza son mayores, por lo que los cálculos se expresan en forma lineal.

En las dimensiones del modelo deberán estar contempladas los sobre espesorespara ser mecanizados. Normalmente se dejan entre 3 y 7 mm para mecanizar, perotécnicas modernas, bajo el concepto de NNS – FCF (Near Net Shape – Forma Cercana ala Final), han disminuido estos de tal forma de disminuir las horas de mecanizadoposteriores. T

iores.

Un aspecto fundamental en el concepto de la fabricación del modelo estaráligado a las operaciones de desmodelado. Esto es crítico ya que cualquierdesmoronamiento producido por la propia extracción quedara reproducido sobre lasuperficie de la pieza final. Entonces, para favorecer el desmodelado se contemplanángulos de salida en aquellas superficies perpendiculares al plano de partición. Estohace que hayan leves diferencias morfológicas, debido a que un prisma rectangular seconvertirá en un prisma trapezoidal. Estos ángulos de salida se contemplan desdealturas de 40 mm, hasta alturas de mas 500 mm, es decir con s desde 0.5 mm hasta 4

gicamente dependiendo del ángulo de salida β.

Si bien los costos de los modelos son variables, la elección del de menor costo nosuele ser la opción mas rentable, ya que luego el modelo necesita políticas demantenimiento intensivas, sobre todo cuando se incrementa la producción. Es crítico elestado del modelo, ya que cualquier defecto que este tenga, será copiado en la cavidadde moldeo, y por lo tanto en la pieza colada. Un aspecto a tener en cuenta esta ligadoa la estabilidad dimensional del modelo, ya sea durante la operación de moldeo (porejemplo en caso de utilizar placas modelos metálicas calentadas a 250°C), o a la propiadeformación propia del uso (por ejemplo de el caso de utilizar modelos de madera paramoldear en verde, en donde la alta humedad propias de las arenas de moldeo en verde(arena + arcilla -d




Tipos

tintos tipos de modelos de la siguiente manera:

étrico o no) o de una cara (simetríatotal).

as, etc.) suelenforma que

invertir en emplacar el modelo. En general las formas son sencillas, permitiendo un

de modelos

Mas allá de diferenciar entre modelos externos e internos (o noyos), es normal clasificara los dis

Sueltos o Naturales: enteros, partidos en dos o mas, medios (simetría total).

Placas modelos: sencillas, de doble cara (sim

Modelos de tipo armadura, terraja y plantilla: piezas únicas y/o de gran tamaño.

Modelos perdidos: ceras perdidas y PS Exp.

En la figura 4 se observan distintos modelos, para cavidades simétricas y nosimétricas y por lo tanto hay dos tipos de modelos; los modelos externos, tal cual losdefinidos hasta ahora y los modelos internos, o noyos, que se utilizan para obtenercavidades dentro de las piezas, o para actuar como insertos y permitir desmodelados demodelos con superficies negativas. Nótese que si no se utilizan noyos, se deberánrealizar importantes operaciones de mecanizado una vez desmoldada la pieza. Por otrolado, en caso de utilizar una caja de noyos para la fabricación del noyo propiamentedicho, el modelo externo deberá contemplar la portada de noyos, lugares en dondeeste quedará posicionado dentro del molde. Piezas complicadas, por ejemplo en lafundición de blocks de motores de combustión interna, los cuales llevan mas de 6 o 7noyos (para obtener cavidades, espesores delgados, contrasalidcontemplar portadas de noyos todas de diferentes dimensiones, de taldurante el armado de la caja de moldeo, no haya equivocaciones en el posicionado delos noyos. Otra opción es darle un manchón de pintura tanto al noyo como a la

portada, de tal forma que el operario no se equivoque en el armado.

Figura 4. Modelos sueltos y emplacados

Modelos Sueltos o Naturales

Estos modelo son los mas simples y los de menor costo; por otro lado, el moldeo esmanual, lento y la calidad del molde será muy dependiente de la pericia del moldeador.

Se utilizan para moldear piezas prototipos o para partidas tan cortas que no justifiquen




desmodelado del modelo respecto del molde, una vez consolidados los materiales demoldeo. Tal como se dijo, en caso de que la pieza necesite un noyo, el modelo deberá

sueltos; esto se debe, aue además del problema de posición, se incrementan las posibilidades de generar

ones del perfil de densidades de las arenas, lo que puede produciretal, defecto a menudo difícil de corregir.

a a la pieza, asíomo la localización de las mazarotas realimentadoras. La tercera buena razón para ser

Figura 5. Distintas placas modelos

contemplar las portadas en donde se ajuste el noyo respecto de la cavidad de moldeo.Estos modelos, generalmente de madera, pueden tener insertos metálicos en aquellaspartes de alta abrasión durante el moldeo.

Estos se deben situar convenientemente dentro del marco de moldeo; en el casode ser modelos partidos, para evitar defectos de pérdida de posición entre sobre ybajero, se los espiga de tal forma que el sobre (posterior al moldeo del bajero, que serealiza en primer término) se moldea con ambos modelos dentro de la cavidad. Es poreste motivo que moldear con estos modelos requiere de un cuidado especial, y es usualque muchas fundiciones prácticamente no admitan modelosqdefectos por variacipenetraciones de m

Placas Modelos

Estos modelos se justifican en casos donde el alto costo del herramental se amortice, ocon el número de piezas, o con el grado de calidad necesario de la pieza. La granventaja de los estos modelos, además de facilitar las tareas de desmodelado, es otorgaruna precisa alineación en el posterior armado del sobre y bajero. Según el número demoldes a moldear y las dimensiones del mismo (de hasta 5m. x 7m, mas allá de que deeste tamaño son muy difíciles de desmodelar, por lo que se utilizan modelos perdidosde tipo PSexp), estas placas podrán ser de madera, poliméricas, de yeso, perogeneralmente son metálicas. Para obtener moldes tipo Shell (o Croning, o moldes

cáscara), y debido a que se deben calentar en rangos de 250°C, los mismosgeneralmente son de aluminio o de acero. Un aspecto importante es que las placasmodelos generalmente incorporan alimentadores, bebederos y mazarotas, por lo que elmoldeador no corre con la responsabilidad de ubicar el gate de entradcutilizados es que permiten moldear mas de una pieza en la misma caja de moldeo,sobre todo cuando estas son pequeñas. Esto se aprecia en la figura 5.




Las placas modelos denominadas sencillas se utilizan cuando la pieza se puedemoldear en una única caja, y se cuela con caja abierta (que debe estar perfectamentenivelad

bicación de las distintas partes de modelo seansolidar

mente simétrica, se podrá moldear

otas quedará a criterio deloldeador. En la figura 6 se observan 2 juegos

.

a pieza única, generalmente

de menor

nte utilizado para realizar cavidades de moldeo de revolución, se

eden moldear cavidades deoldeo, pero en ambos casos se debe contar con un buen sistema de guías de manera

plantilla pueda deslizar sobre las arenas de moldeo.

a) o con dos cajas. En caso de necesitar dos cajas, el sobre será una tapa ciega,solo con el canal alimentador y la presencia de mazarotas, en caso que hagan falta.

Luego, las placas modelos reversibles, en las cuales se moldean cavidades quepueden o no ser simétricas, se fabrican sobre y bajero sin la necesidad de desmodelarluego del primer moldeo. En el caso de que la cavidad sea simétrica, la ventaja decontar con una placa reversible es que el canal de alimentación estará contemplado enla propia caja. El hecho de que la u

ios a la placa, definirá perfectamente la posición de tal forma que no hayacorrimientos en la línea de partición.

Por último, si la pieza a moldear es totalmediante una placa modelo de simple cara. Mas alláen caso de utilizar arenas ligadas orgánicamente,

se justifica solo en la fabricación de partidascortas, pero cuando el número de moldes afabricar se incrementa, a menudo son necesariosdos placas, o las que sean necesarias, paraacelerar las etapas de moldeo. Una desventaja deeste tipo de placas es que la localización debebederos y mazar

de que es una operación mas lenta

mde placas modelos

Figura 6. Placas modelos.

Modelos de tipo armadura, de tipo terraja y de tipo plantilla

Estos modelos se utilizan cuando se necesita moldear unesta de gran tamaño. Estos modelos, llamados también simplificados, son de muy bajocosto. Tal como se ve en la figura 7, estos se dividen en:

Tipo armadura: son aquellos que se arman a través de un esqueleto, y de tal forma nosolo se ahorra madera, sino que las operaciones de desmodelado, al serpeso, se facilitan. Si se lo construye inteligentemente, el interior de la armadura puedeactuar como caja de noyos en caso de que lo necesite la cavidad de moldeo.

Tipo terraja: generalmehace girar una especie de plantilla con la geometría deseada, alrededor de un travesañoque actúa como pívot.

Tipo plantilla: con este tipo de modelo se moldean noyos que no justifiquen lafabricación de una caja propiamente dicha. También se pum

que la




Modelos simplificados: armaduras, terrajas y plantillas.

ado líquido se encarga de evaporarlo. Latilización de arenas no consolidadas es fundamental es fundamental en esta técnica,

lidad de las mismas sea la máxima posible.

el cerrado del molde y el, como se observa en la figura 9,

tas manera

lo una

vitar desmoronamientos en caso deodelos, y su complejo desmodelado.

) para generar la totalidad de la cavidad deoldeo.

Figura 8. Posición y portadas de noyos.

Figura 7.

Modelos perdidos

Estos modelos, en cuyas técnicas nos detendremos mas adelante, son aquellos que sepierden en algún momento de la operación. Puede ser en la propia operación dedesmodelado, tal como ocurre con los modelos de cera (por lo que de ahí deriva el

nombre de Ceras Perdidas), posterior a la operación del recubrimiento cerámico sobreel árbol de cera, que en definitiva definirá la cavidad de moldeo. El otro típico modeloperdido, son aquellos realizados de PS Expandido, en donde directamente no hace faltadesmodelar, ya que el propio metal en estude manera que la permeabi

Noyos y cajas de noyos

Como ya se dijo, la función de los noyos es crítica, no solo para dar la posibilidad de

obtener piezas huecas, sino que también pueden actuar como insertos para permitirdesmodelados y/o como artilugios para evitar desmoronamientos en modelos esbeltos.Tal como se observa en la figura 8, los noyos se pueden ubicar de distintas maneras,aunque la forma horizontal es la mas usual; si se colocan en forma vertical, en caso quehaya una interferencia entre el sobre y el noyo durantemoldeador no lo perciba, la pieza muere. Por otro ladolos noyos se pueden aplicar de distin s:

ieza.a) para generar cavidades huecas dentro de la p

b) generar contrasalidas negativas.

c) actuar como sobre, utilizando socaja.

d) para em

em




Figura 9. Noyos: distintas funciones.

Los noyos generalmente están fabricados con arenas de moldeo ligadasorgánicamente. Esto es debido a que como son piezas a menudo esbeltas, la buenaresistencia en seco de estas arenas es determinante. Por ese motivo las cajas de noyospueden ser de madera o metálicas, en el caso de utilizar arenas ligadas con resinas nohorneadas, o directamente cajas metálicas, en el caso de estar fabricados con arenasde caja caliente. La elección del tipo de material de la caja de noyos estarádirectamente ligado con la cantidad de noyos a fabricar.

Los noyos, de la misma forma que la pieza colada, presentarán líneas departición de acuerdo a la disposición de la caja. Estas líneas a menudo presentanrebabas, estas generadas por el propio desgaste de la caja o por perdidas de ajuste;estas rebabas son perjudiciales en la integridad metalúrgica de las piezas ya que songeneradoras de inclusiones no metálicas.

Materiales para modelos permanentes y cajas de noyos

La elección del material de los modelos es crítica por varios aspectos, algunos yamencionados, pero uno fundamental esta ligado al peso del propio modelo, ya que si el

modelo es muy pesado (un modelo metálico de gran tamaño, realizado en FN porejemplo), en la propia operación de desmodelado habrá riesgos de deteriorar la cavidadde moldeo. Es por ese motivo que muchas veces se utilizan materiales de bajadensidad, buscando de tal manera una mayor sensibilidad durante la operaciónantedicha. En la tabla II se observan las principales características para distintosmateriales.

Tabla II. Principalescaracterísticas de modelos en

distintos materiales.

No solo se puede optar por distintos materiales para incrementar la vida delmodelo, sino que también se disponen de tratamientos superficiales, sobre todo para

mejorar la resistencia a la abrasión.




Modelos y cajas de noyos de madera

En función de la facilidad de trabajado, la baja densidad, el bajo costo y ladisponibilidad de distintos tipos, la madera es ampliamente usado en la confección demodelos y de cajas de noyos. Se utiliza para todo tipo de modelos, independientementedel tamaño de la pieza a colar, aunque en el caso de ser piezas de muy gran tamaño,se opta por armaduras, terrajas o plantillas.

Una desventaja a tener en cuenta cuando se utilizan modelos de madera es elnúmero de piezas a moldear. Cuando los lotes son numerosos, estos se deteriorarán yasea por el agua de las arcillas presente en arenas en verde (que lógicamentehumedecen la madera y consecuentemente, la deforman), así como las arenas que sele adhieren en arenas ligadas orgánicamente y la posterior abrasión cada vez que se lolimpia, previo inicio del moldeo de una nueva caja. La abrasión, propia de la arena enlas operaciones de moldeo, hace que cuando el lote de piezas a moldear se incrementa,es usual que los modelos de madera tengan las aristas reforzadas con perfiles

metálicos, de manera de extender la vida del mismo. Se pueden optar por diferentesmaderas (se exige que las mismas estén estacionadas de forma que no hayadeformaciones tardías, además de preferirse aquellas mas duras), así como distintostratamientos superficiales de estas (intensivos, tres o mas capas de barniz, pintura olacas) para evitar la contaminación de las maderas con los ligantes de las arenas.Incluso, algunas maderas son susceptibles de contraerse en caso de que la humedadeste por debajo del 25 %, cosa que es usual en plantas de fundición, debido a altastemperaturas ambientes.

En caso de utilizar madera para las cajas de noyos, es usual que si el número denoyos moldeados se incrementa, este tipo de cajas van perdiendo ajuste y esto se

materializa en una marcada línea de partición. Esto puede ser problemática para lapieza, ya que esa rebaba de arena, luego aparecerá dentro de la pieza fundida comouna inclusión no metálica. Desde ya que con estas cajas de madera no se puedensoplar noyos que sean ligados con ligantes orgánicos de caja tibia y/o caliente, y soloestarán disponibles para arenas ligadas en caja fría y preformados para luego sergaseados (no horneados).

Modelos y cajas de noyos metálicos

Los modelos metálicos, así como las cajas de noyos metálicas, se justifican cuando elnúmero de piezas a moldear es elevado. Comparados con los de madera, las ventajasconsisten en que son mas resistentes mecánicamente, mas resistentes a la abrasión einalterables dimensionalmente frente a cambios de humedad; la desventaja reside en elcosto. De todas formas, la elección del metal de partida también será función de lacantidad de piezas a moldear, ya que se puede optar por aluminios, fundiciones grises,fundiciones nodulares o aceros.

Este tipo de material es fundamental en aquellos moldes o noyos que seanligados en caja tibia y/o caliente. Generalmente este tipo de moldes, sobre todo cuandose hace Shell, son prácticamente de precisión (si bien no tan precisos como cerasperdidas o moldes tipo Shaw), por lo que se deberá contemplar las dilataciones que

sufran a las temperaturas del régimen de trabajo, las que se sitúan en el rango de 200-350°C.




Normalmente se parte de prismas que se van mecanizando hasta obtener laforma deseada. En caso de utilizar aluminio la maquinabilidad se incrementanotablemente y con la asistencia de un CNC y una interfaz CAD/CAM, en pocas horas sepuede contar con un modelo o una caja de noyos. Una vez mecanizados, generalmentese los emplaca de manera de minimizar los errores de moldeo.

Cuando se construye un modelo metálico por fusión, ya sea de fundición gris onodular, es normal que con un primer modelo de madera se cuelen varias piezas enmoldes de arena, que luego se mecanizaran para darles las dimensiones finales almodelo; estas operaciones deberán ser tan cuidadosas que se estima que al menos un60 % del tiempo de la construcción del modelo se concentra en estas tareas. Por otrolado se deberá contemplar el concepto de doble contracción, es decir en primer términola contracción que sufrirá el propio modelo durante su solidificación, y en segundotérmino contemplar la contracción que sufrirá la pieza colada en si misma. En caso denecesitar un modelo bajo un concepto NNS/FCF, se puede optar por un molde cerámicotipo Shaw, disminuyendo las horas de mecanizado posteriores, así como la menor

probabilidad de que haya defectos de origen metalúrgicos.

De la misma forma que en modelos de madera, en caso de que el modelo o lacaja de noyos presenten aristas o zonas expuestas a alta abrasión, una alternativa delas mas comunes es agregarle un inserto con un acero de herramienta (usualmente unSpecial K o AISI D3 (2%C, 0.2%Si, 0.3%Mn, 12%Cr): mínima variabilidad dimensionalfrente a TT, excelente conservación de filos / alta resistencia al desgaste, hasta 64 HRc)o sino darle un recubrimiento superficial de al menos 500 µ de Cr duro (100%Cr, con1100 HV ~ mas de 60 HRc).

Modelos y cajas de noyos poliméricasLa versatibilidad, las propiedades y el costo, hacen de los polímeros materiales en plenaexpansión para la construcción de modelos y de cajas de noyos. Se los utiliza cuandolas cavidades a moldear son pequeñas o intermedias. Los modelos poliméricosgeneralmente son de mayor costo pero de mayor vida útil; en caso de ser necesario selos puede emplacar en placas metálicas. El hecho de que sea un material para laconstrucción de piezas de precisión, y mas allá de la propia reacción exotérmica depolimerización, es normal que se le agreguen múltiples aditivos de tal forma queresultan con muy buena estabilidad dimensional, aún luego de un considerable paso deltiempo.

Los materiales típicos utilizados son los PU y las resinas epoxis. Las ventajas demodelos de resinas epoxis respecto de los de madera es que tienen mejorespropiedades mecánicas, mayor resistencia a la abrasión, menores deformaciones por elmedio, muy buena reparabilidad y por último presentan ventajas en las operaciones dedesmodelado. En caso que sea necesario, las resinas pueden estar reforzadas con fibrasde vidrio (para incrementar propiedades mecánicas) o con agregados de CSi (paraincrementar la resistencia a la abrasión).

Modelos perdidos (ceras y PSexp)

Estos materiales, ceras y PSexp son dos de los mas utilizados para producirmodelos perdidos. Aspectos de estos modelos y las técnicas en si se ven mas adelante.




2.1.3.- MATERIALES DE MOLDEO

En este apartado se analizarán los materiales de moldeo, tanto las arenas propiamentedichas como los ligantes necesarios para que las mismas tengan una determinadacohesión. Entre ambos definen las mezclas de moldeo.

Mezclas

Las mezclas de moldeo deben cumplir las siguientes propiedades:

• Resistencia en verde: son propiedades típicas de las mezclas ligadas en verde ydepende mucho del % de arcilla y agua que lleven. Por otro lado, el concepto tambiénse utiliza para determinar las propiedades de arenas ligadas con resinas, y determina laresistencia a la cual se puede generar el desmodelado sin que haya deformaciones dela cavidad de moldeo.

• Resistencia en seco: es para arenas ligadas con resinas. El ensayo se debe realizar

después que se haya sobrepasado el tiempo de curado (polimerizado) de la resina.• Resistencia en caliente: es la resistencia que tienen las mezclas en caso de sercalentada para disminuir el % de humedad en las arenas. Si bien con esa temperaturase acotan problemas de reacción molde/metal, es usual que haya desprendimientos dearena, generalmente en forma de lluvia sobre el metal que viene ascendiendo por lacavidad de moldeo. También se define a esta propiedad como el comportamiento quetiene el molde durante el colado propiamente dicho, en donde por efecto de reverbero,el calor del metal tiende a degradar la superficie superior del molde.

• Refractariedad: esta referida a la capacidad de las arenas frente a la temperatura desobrecalentamiento (por encima de la Tf ) y a la cantidad de calor del metal que se estasolidificando dentro del molde, que será función a su vez del tamaño y forma de lapieza. Vitrificaciones, así como deterioro temprano de las arenas o presencia deinclusiones no metálicas dentro de la pieza que sean provenientes del molde, sonindicativos de una refractariedad no adecuada para lo que se esta fundiendo.

• Conductibilidad térmica: directamente ligada a la refractariedad, influye en lavelocidad de extracción de calor del metal que se esta solidificando. Arenas conmayores coeficientes de conductividad térmica, determinarán microestructuras masfinas.

• Granulometría: es el tamaño de las arenas. Esta directamente relacionado con la

permeabilidad del molde. De la misma forma que bajo el concepto de partículascerámicas, la mezcla de arenas con tamaños de granos de tal forma que vayanocupando los espacios libres que quedan entre los granos de mayor tamaño mejora laterminación superficial, pero disminuye la permeabilidad.

• Fluidez: es la capacidad de las mezclas para copiar el modelo durante la etapa demoldeo. La uniformidad de los perfiles de densidad serán función del grado de fluidezde las arenas.

• Deformabilidad: es la habilidad de las mezclas para ser deformadas durante lasolidificación de la pieza dentro del molde. Directamente ligada con la resistencia enverde, seco y en caliente, si la deformabilidad es muy baja, no permite la librecontracción, no solo modificando la cota nominal de la pieza, sino como generadora detensiones residuales capaces de iniciar fisuras.




• Permeabilidad: es la habilidad para dejar pasar, a través de las paredes del molde,tanto al aire que se encuentra durante el llenado de la cavidad, como de las reaccionesmolde/metal. Estas a su vez son de dos tipos: vapor de agua, en el caso de ligar conarcillas, y humos, en caso de ligar con resinas.

• Colapsabilidad: es la capacidad del molde para permitir el desmoldado de la pieza. Amedida que se incrementan las resistencias, disminuye la colapsabilidad del molde. Esusual que en moldes de baja colapsabilidad, se generen maltratos por la propiaviolencia de la operación, además de un mayor tiempo de desmoldeo.

• Vida de banco: es el tiempo que dura el molde con buenas propiedades para serllenado. Es crítico cuando se moldea en verde, ya que inmediatamente de moldeado, elmolde se empieza a secar, sobre todo en ambientes típicos de cancha de moldeo,donde las temperaturas medias son altas, así como bajos el % de humedad. En moldesligados con resina, la vida de banco es indefinida.

• Durabilidad o vida útil de la arena: da el índice de reciclabilidad de las arenas.

Mientras en verde hay una marcada reutilización (previo desterronado, separación porgranulometría, agregado de arenas y arcillas nuevas, y el posterior humectado), lasarenas ligadas con resina prácticamente son desechadas, ya que una vez que lasresinas polimerizan, al ser termorrígidos, dificultan el calcinado de las mismas.

• Reactividad química; volátiles; reacciones molde/metal: esta ligada al comportamientode las mezclas frente al metal en estado líquido. Da un índice de presencia deinclusiones no metálicas provenientes del las arenas.

• Costo y disponibilidad: aspecto crítico en función de los grandes volúmenes utilizados,las fundiciones se establecieron en aquellas zonas donde se encontraban yacimientosde arenas "naturalmente ligadas", es decir, mezclas naturales de arenas y bentonita,que con solo agregar agua y algún aditivo, ya están listas para moldear. En laactualidad, se dispone de arenas con granulometrías perfectamente acotadas.

Las principales tipos de arenas son :

i. Arenas silíceas, SiO2, tiene una Tf = 1728°C y una δ= 3 gr/cm3. Son las de mayor uso.Son arenas que reaccionan con el Mg y además forma un silicato de hierro de bajopunto de fusión, lo que genera penetraciones de metal en molde. La permeabilidad y larugosidad superficial de la pieza colada será función del tamaño de grano, siendo estasvariable entre 200 (arenas súper finas) y 20 Mesh (arenas de respaldo, de menor costo,también llamadas “chamote”). Normalmente se trabaja con arenas 60 Mesh. En la

figura 10 se observa un informe técnico de un proveedor de arenas de moldeo, dondese da la distribución gaussiana respecto del tamaño de grano.

Figuras 10. Informe técnico de arenas clasificadas




ii. Arenas de zirconio, Zirconita, ZrO2-SiO2(67,2%-32,8%), tiene una Tf = 2550°C y unaδ= 4,7 gr/cm3. Son arenas muy finas, de hasta 400 Mesh, y comúnmente se las llama"harinas de moldeo"; se las utiliza en moldeo de precisión, tanto en moldes cerámicosde gran tamaño (método Shaw), como en Ceras perdidas. Son de alta conductibilidadtérmica, enfriando ("chilling") 4 veces mas que las de base sílice. Son de granos

redondeados, por lo que utilizan menor cantidad de ligante, y de baja reactividadquímica. Debido a su gran refractariedad, grano fino y muy buena estabilidaddimensional, se las utiliza en la fundición de aceros.

iii.- Cromitas y olivinas, son arenas poco usuales. Las cromita son arenas negras de altarefractariedad, alta angularidad (> cantidad de ligante) y alto costo. Las olivinas,características por su color verdoso, son arenas frágiles, por lo que su recicladodisminuye.

Ligantes

Los ligantes son necesarios para dar cohesión a las arenas. Los hay de dos tipos:arcillas y resinas; estas últimas, a su vez, se dividen en no horneadas, de caja fría y decaja caliente.

Arcillas: de tipo aluminosilicatos, son láminaschatas muy pequeñas (entre 0,1 – 1 μm), quehidratados adquieren gran plasticidad, pero queal secarse, sufren altas contracciones. Es típicoincrementar el % humedad al óptimo parafacilitar las operaciones de mezclado, pero hayuna disminución en la resistencia en verde,aunque incrementándose la resistencia en seco(figura 11). Como se observa en la figura 12, lasadiciones respecto de arena son: 2-15% arcilla y1-5% agua.

Figura 11. Resistencia en verde y en seco enfunción del % de agua.

Figura 12. Resistencia en

verde vs % de arcilla y %de agua.




Si bien hay distintos tipos de arcillas como caolinitas - ‘Fireclay’ o iliticas, las masutilizadas son las montmorillonitas, también llamadas ‘Bentonitas’, pudiendo ser estassódicas o cálcicas, aunque las mejores propiedades se obtienen mezclando las mismas.Las sódicas son de alta durabilidad, admitiendo varias rehidrataciones, pero con unabaja velocidad de absorción de agua, por lo que se incrementan los tiempos de mezcla.

Por otro lado, las cálcicas presentan alta fluidez, pudiendo obtener buenos y uniformesperfiles de densidad, a través de menores esfuerzos.

Resinas

Siendo este tipo de ligantes resinas termorrígidas, las hay de tres tipos:

a.- No horneadas, donde a la resina base se le agrega un catalizador, mas unacelerador en caso de querer disminuir los tiempos de moldeado, y rápidamente semezcla con la arena. Esta operación se realiza en menos de 5’, aún para cargas de 100kg de arena. El curado da un tiempo para poder moldear, y a su vez permite un buen

desmodelado, tomando vigencia el concepto de resistencia en verde, aun en resinas,donde lógicamente no hay presencia de agua. Las hay de distintos tipos: furánicascatalizadas con ácido, fenólicas catalizadas con ácido, fenólicas alcalinas catalizadas conésteres, resinas poliester – uretanos y otras.

b.- Curadas con calor o de caja caliente, donde las mas usuales son las utilizadas paramoldes cáscara, comúnmente llamados “Shell”. La idea es que cada grano de arenaviene revestido con resinas fenólicas. Se curan en molde y/o modelo calentado a 150-350°C. Como las arenas son clasificadas, las piezas obtenidas dan alta terminaciónsuperficial. Como todos las arenas ligadas con resinas, tienen excelente vida de banco.Otra utilización típica es para el ‘soplado’ de noyos, donde máquinas de últimageneración dan tiempos de curado entre 10-30 seg.

c.- Curadas en caja fría, donde el curado del ligante es por medio de un gas o vaporque pasa a través de la arena revestida. Los mas usuales son las resina furánicas,catalizadas por medio de CO2., aunque también catalizan resinas de tipo Epoxi –

Acrílicos o Acrílicos.

Por último, y como una curiosidad ya que es poco usual, a las arenas se laspuede ligar con cemento, con tenores no mayores al 11%, ya que estaría sériamentecomprometida la colapsabilidad del molde. La gran desventaja del cemento es que elcurado es irreversible (no permitiendo una rehidratación), por lo que hay una baja

recuperación de arenas.

Aditivos

Los aditivos mas usuales, que se agregan generalmente a las mezclas en verde, son:

i.- Cereales, almidones y dextrinas: incrementan la plasticidad en verde, la resistenciaen seco y disminuyen la expansión térmica de la arena. Por otro lado, los cerealesactúan reteniendo humedad, por lo que se agregan para incrementar la vida de banco.Se suelen usar polvos de cáscara de arroz, polvos de cáscara de avena y/o polvos demarlo de maíz (Mogul). Aditivar dextrinas, para luego secar los moldes en estufas, se

utilizan dado que las mismas cristalizan superficialmente, mejorando la rugosidadsuperficial de las piezas.




ii.- Polvos de madera: harinas (todo por debajo de #50 y 40% por debajo de #100), noconfundiendo con aserrín. Al tener bajo punto de ignición (250°C), forma una atmósferareductora. Se hinchan en presencia de agua, disminuyendo la expansión térmica de lasílice.

iii.- Carbón molido: se lo utiliza para evitar adherencias a la pieza, formando una capavítrea negra lustrosa sobre la pieza. Evitan además penetraciones de metal líquido almolde. Una desventaja es que contaminan la arena con S, disminuyendo la vida útil dela bentonita; otra desventaja es la alta presencia de humos durante la colada.

2.1.4.- FABRICACION DE MOLDES Y NOYOS

Una de las etapas importantes en una fundición es la fabricación del molde y de losnoyos, una vez definido el modelo, la caja de noyos y el material de moldeo. Parafabricar este molde se dispondrán desde simples cajas, aparejos y pisones manuales,hasta equipos de moldear sofisticados, tales como vibradores, turnovers o sopladoras

de noyos.

Moldeo en arena manual

Tal como se aclaró, este método de moldeo es de los mas antiguos. Es de bajo costo,versátil y con la ventaja de admitir todo tipo de aleación metálica. Las desventajasestán relacionadas con la calidad superficial de la pieza, con algunos problemas decolabilidad en el caso de secciones esbeltas, con la reacciones molde / metal (ya seaestén ligadas en verde y/o con resinas orgánicas), así como inclusiones no metálicas ensu microestructura (producto de erosiones en el molde).

Cajas de moldeo

Son los marcos donde quedan contenidas las cavidades de moldeo. Si bien se puedenarmar cavidades de moldeo en el propio suelo de la cancha de fundir, esto solo seutiliza cuando las piezas son de gran tamaño, tal como se observa en la figura 13; enestos casos, al no contar con buena permeabilidad en el bajero, se le arma una camade carbón que extrae gases asistidocon tubos que actuarán como pequeñaschimeneas.

Figura 13. Moldeo en fosa, con unaúnica caja como sobre.

Cuando el tamaño de las piezas a colar es “normal” las cajas que se utilizan seobservan en la figura 14. Los marcos son bastidores suelen ser de paredes verticalescon detalles para atrapar mecánicamente a las arenas. Las hay de tamaños muyvariados y dado que no son de bajo costo, en caso de trabajar con altas producciones,se debe establecer un buen diseño en la operación de moldeo y de colada. Si bien los

marcos suelen ser ferrosos, en caso de necesitar disminuir los pesos se pueden optarpor marcos de Al; a menudo se opta por marcos de madera, reforzados con perfiles




metálicos, pero no son recomendables debido a los lógicos derrames que se producenen el ataque a los moldes. Se observa claramente que para evitar desplazamientosentre sobre y bajero, las cajas están guiadas con pasadores, que a su vez posicionanlos modelos emplacados. En caso de ser cajas medianas, suelen traer goznes quepermiten movilizar las cajas con algún

tipo de aparejo mecánico.

Figura 14. Cajas de moldeo,superficie de moldeo utilizable hasta

2500 cm2) y ≈ 6000 cm2.≈

En caso de moldear piezas de gran tamaño, los moldes pesan tanto que amenudo colapsan por su propio peso. En esos casos, se opta por cajas con unaestructura tal de que permita moldear, pero que las arenas queden sostenidas, talcomo se observa en la figura 15. Además de los posicionadores entre sobre y bajero ylos muñones / goznes que permiten las operaciones de volteo para desmodelar, losmarcos llevan un enrejado tal que permiten anclar las mezclas de moldeo al mismo sinque estas colapsen. Todas estas operaciones se deben realizar con la asistencia deaparejos mecánicos, generalmente movidos porpuentes grúas, lo que hace que se pierdasensibilidad en las operaciones, con lasconsiguientes deformaciones en el molde.

Figura 15. Caja de moldeo para piezas de grantamaño, superior al m2 de superficie.

El tema de la presión de cierre entre sobre y bajero es crítico. Si el ajuste esmenor al deseado, daría una mayor rebaba (lo que no es problemático, ya que seelimina fácilmente); lo que si es delicado es que habrá un incremento dimensional en laaltura de la pieza. Por otro lado, si el ajuste es mayor al deseado, pueden haberdeformaciones en la cavidad de moldeo, por lo que no solo la pieza quedará mas

pequeña, sino que hay probabilidades de que la misma tenga arenas en sumicroestructura. En la figura 16 se observan distintos tipos de ajuntes en cajas demoldeo.

Figura 16. Distintos cierres para cajas de moldeo, fijos y progresivos.




Es usual que para disminuir costos se opte por moldear con una caja específicapara esa operación, pero una vez desmodelada, se la enmarque en un bastidor muysimple (figura 17), de tal forma que evite derrames en el caso de que el molde se abrao colapse en el momento del llenado

Figura 17. Bastidores simples p/evitar derrames.

Equipos y operación para el moldeo manualSe optará por moldeo manual en arena en aquellas piezas que sean únicas, o de unacantidad que no justifiquen la inversión, tanto en modelos como en el herramentalnecesario que permitan un moldeo mecánico. El moldeador utilizará herramientas paramanipular las arenas, apisonarlas y retocar las cavidades una vez desmodeladas. Encaso de que el moldeador trabaje con un modelo suelto, lo posiciona sobre una tabla demadera, ubica el marco, lo espolvorea con talco (para facilitar el desmodelado ymejorar la rugosidad superficial) y procede a llenar el marco con las arenas de moldeo.Para esto cuenta con un pisón, que se utiliza sobre todo en el moldeo en verde, ya quecuando las arenas están ligadas con resinas de tipo caja fría, estas tienen una gran

fluidez, copian muy bien al modelo y no hace falta apisonarlas con vehemencia. Estacaracterística, a merced del moldeador, hace que la permeabilidad de los moldes seaerrática y problemática. Esto se debe a que si la densidad del molde es mayor que larecomendada, si bien tiene mejores propiedades mecánicas, tanto la permeabilidad, asícomo la deformabilidad (aquella cualidad que permite la libre contracción de la piezadentro de la cavidad de moldeo, evitando tensiones residuales), se ven seriamentemodificadas; en caso de que la densidad del molde sea menor que la recomendada, lapeor consecuencia sería una penetración del metal en el molde, el cual es un defectode difícil reparación. Para disminuir la fatiga del moldeador, se cuentan con pisonesneumáticos o eléctricos, pero, al ser operados manualmente, generan la misma

problemática. En la figura 18 se observan distintas herramientas utilizadas por elmoldeador.

Figura 18. Distinto

herramental para

moldeo manual.




Un tema fundamental son las operaciones de desmodelado. En caso de utilizarmodelos sueltos, estos suelen traer casquillos metálicos roscados de manera que se leadosan extractores que permitan la operación. También es normal dar pequeños golpespara despegar el modelo de las arenas; estos golpes deben ser delicados, ya que encierta forma incrementan las dimensiones de la cavidad. En caso de ligar con resinas

orgánicas, el tiempo de desmodelado es crítico, ya que si las resinas polimerizanprácticamente en su totalidad, es normal que el modelo se pegue y la extracción traeaparejadas roturas en el molde. Por el contrario, si el desmodelado es apresurado, nosolo puede haber desmoronamientos de las arenas (problemática no complicada, yaque solo se debería rehacer el molde) sino que puede haber deformaciones por elpropio peso de las arenas, que es un defecto complicado ya que el fundidor no sepercata de la deformación hasta que se encuentra con la pieza desmoldada y la mismaesta fuera de tolerancias. En caso del moldeo mecánico, los desmodeladores sueles serautomáticos y se verán mas adelante.

Es usual que luego de la extracción del modelo, y sobre todo en grandes piezas,

haya que retocar las cavidades. Lasherramientas específicas son todotipo de cucharas, espátulas,alisadores, pinceles, etc. En algunoscasos se refuerzan las aristas de lascavidades con clavos y ganchos,contemplando que dichos refuerzosquedan incorporados a las piezas.

Una simple rutina de moldeomanual se observa en la figura 19.

Figura 19. Moldeo manual.

Equipos y operación para el moldeo de noyos

Tal como se aclaró, los noyos se utilizan ya sea para generar cavidades, evitarcontrasalidas de los modelos y evitar secciones esbeltas de arenas que colapsaríandurante el desmodelado, entre otras cosas. La buena fabricación de los noyos es muyimportante, ya que cualquier defecto sobre ellos generalmente descalifica la piezafundida. Es necesario un análisis previo y se debe tener en cuenta:

• que sean de fácil preparación, con la mínima presencia de rebabas.

• que sean de alta refractariedad, que no se vitrifiquen, ni permitan penetraciones demetal.

• que sean de alta resistencia mecánica, indeformables (durante la colocación y el

primer contacto con el metal líquido) y que no se rompan debido a la solicitacióntérmica ni a la presión metaloestática.




• que sean de alta permeabilidad, generando venteos desde las portadas ubicadaspreferencialmente en el sobre.

• que sean deformables (para permitir la libre contracción de la pieza).

• que sean colapsables, de forma que prácticamente no haya mas que soplar aire

comprimido por la cavidad para eliminar los vestigios de arena que no cayeron porgravedad.

Generalmente los noyos son de arena ligados con resinas orgánicas, aunquetambién se los moldea en verde. En caso de ser esbeltos, o de gran volumen, se losrefuerza y se les da permeabilidad por distintos medios. En la figura 20 se observandistintos noyos, en donde hay desde refuerzos por alambres hasta refuerzos porarmaduras. Se observa que las salidas de gases siempre se hacen a través de lasportadas. En caso de trabajarse con medios noyos, antes de pegarlos se le puedentallar canales para asistir la permeabilidad. En caso de necesitar noyos con formasirregulares, una forma “artesanal” de obtener los canales es moldear la caja de noyos

con un cordel encerado, de tal modo, que una vez consolidado el noyo, se loprecalienta por encima de la temperatura de fusión de la cera, permitiendo laextracción de dicho cordel. Una forma de dar permeabilidad, de la misma forma que elmoldeo en fosa para grandes piezas, es mediante "camas de coke" (figura 21). Porúltimo, se pueden trabajar con tubos perforados, previamente revestidos en yute, luegocon arenas de respaldo y por último con las arenas de terminación, de tal manera quela rugosidad superficial de la pieza sea la necesaria. A estos tubos se los llama linternas,y se los suele utilizar para noyos de gran tamaño (figura 22).

Figura 20. Distintos tipos de noyos, con refuerzos y detalles para dar permeabilidad.

Figura 21. Noyo de gran tamaño. Figura 22. Noyo con carcasa, yute y arenas.

En caso de que los noyos sean esbeltos y no se los pueda reforzar, existe unaalternativa que consiste en colocar dentro de la cavidad de moldeo, un soporte metálico




en el cual el noyo se apoye y no colapse;naturalmente, el soporte queda incorporado a lapieza colada. Estos soportes, tambiéndenominados “chaplets”, deben ser de un tamañotal que no sea lo suficientemente pequeño para

que con el primer contacto con el metal líquido elmismo se funda y no cumpla con su misión, ni losuficientemente grande como para que quedecomo una inclusión metálica dentro de la pieza, yaque el metal líquido no alcanza a fundirlo. En lafigura 23 se observan distintos soportes y el modode colocarlos; en este ejemplo, el soporte inferiorevita el colapso del noyo por su propio peso poresfuerzos de flexión, y el soporte superior,evitando el colapso generado por el propio metal

líquido al atacar la cavidad de moldeo. Desde yaque la composición química del soporte será lomas cercana a la de la pieza a colar.

Figura 23. Soportes para noyos, colocadosdentro de la cavidad de moldeo.

Una vez moldeado sobre y bajero, los noyos se colocan en las portadas delbajero y para que no se muevan durante el cerrado del molde, a la portada se la pinta

con una sustancia a base de silicato de sodio + talco industrial que se la denomina “peganoyo”. Esta sustancia también se la utiliza para pegar los moldes, pintando lassuperficies del molde que tomaran contacto entre si, con la precaución de que no hayarebalses y que los mismos se incorporen a la cavidad de moldeo. Por último, hay quetener sumo cuidado en aquellos noyos que tienen portadas que ajustan en el sobre, esdecir que están en posición vertical; esto se debe a que durante el cerrado, antecualquier pequeña interferencia, el noyo es capaz de colapsar sin que el moldeador lopercate. Una pieza de alta complejidad, con su placa porta noyos con chapletsincluidos, se observa en la figura 24.

Figura 24. Placa portanoyos depieza compleja.una




Soplado de noyos

Los noyos deben ser lo suficientemente densos como para obtener buenas resistenciasmecánicas, además de prevenir penetraciones de metal; una penetración de metaldentro de un noyo, prácticamente descarta la pieza. En caso de utilizarse arenas nohorneadas, es usual moldearla en forma manual, ya sea en cajas de madera ometálicas. En caso de necesitarse altas producciones, se deberá optar por algúnmétodo mecánico; el mas común es el soplado de noyos.

Las sopladoras de noyos soplan, propiamente dicha, las arenas dentro de la caja.Las arenas deberán estar perfectamente mezcladas antes de ingresar al dosificador quealimentará la caja. La sopladora no solo hace ingresar las arenas a alta presión, sinoque mediante un pequeño vacío incrementa la fluidez de las arenas (figura 25). Lasarenas utilizadas suelen estar ligadas conresinas de caja tibia o caliente o también conresinas de caja fría (las que se deben gasear

para que las resinas polimericen). En caso deutilizar arenas de caja tibia, el sistema desoplado trabajará a una temperatura derégimen de tal forma que se realice dentro dela sopladora un pre-curado de las arenas. Espor ese motivo que es usual que los noyos pre-curados se los coloque en bastidores que luegovan a estufas para realizar el curado final.

Figura 25. Sopladora para noyos huecos decaja tibia, con asistencia de soplado + vacio y

recupero de arenas no consolidadas.

Método Shell

Este método es utilizado para obtener moldes delgados, y es por eso que se denomina

Shell (caparazón, cáscara) y se utilizan arenas revestidas (120/200 Mesh) quepolimerizarán sobre un modelo previamente precalentado. Esta técnica de moldeo dapiezas de alta calidad superficial en función de las características de las mezclas demoldeo utilizadas, ya que suelen ser mas finas que las arenas clasificadas (60 Mesh).Se la suele utilizar para piezas de geometrías complicadas, de tamaño mediano y paragrandes partidas.

Son moldes livianos y de excelente vida de banco. Como desventaja se puedecitar el alto costos de las arenas utilizadas, el costo de los modelos y así también el altocosto de las instalaciones necesarias para la obtención de las cáscaras.




En la figura 26 se observa la forma de obtención de estos moldes. Se parte deuna placa modelo que, previamente calentada entre 250/300ºC, se posiciona bocaabajo sobre un bastidor que esta solidario a un depósito que va a tener arenasrevestidas de caja tibia / caliente en el fondo. Apenas colocada la placa modelo, sevoltea el sistema 180º y las arenas revestidas caen por gravedad cubriendo al modelo.

Luego de un determinado tiempo, se vuelve el bastidor a su posición original y lasarenas que no polimerizaron (mas bien pre polimerizaron), vuelven a caer porgravedad. Posteriormente se desmodela, el molde va a una estufa durante un par deminutos en donde se termina de polimerizar. Generalmente estos moldes suelen sermuy frágiles, por lo que el armado de la caja necesita de materiales de respaldo.

Figura 26. Obtención de un molde por método Shell.

El espesor de la cáscara será función de la velocidad de fraguado de la resinaque reviste a las arenas, del tiempo de volteo y de la temperatura y cantidad de calor

(tamaño y espesor de la propia placa) que tenga la placa modelo.

Equipos y operación para moldeo mecánico

El incremento en la productividad de piezas fundidas ha hecho que se dispongan dedistintos equipos para automatizar las operaciones de moldeo. Esto se justifica ya quese obtienen:

- Reducción de tiempo de moldeo, incrementando la producción y disminuyendo elcosto.

- Mejorar la calidad de las piezas coladas, manteniendo un perfil de densidad de

arenas constante.- Evita duras condiciones de trabajo para operarios.




Históricamente, uno de los principales problemas dentro de las operaciones demoldeo, tenía que ver directamente con el desmodelado. Es por este motivo que losprimeros esfuerzos se centraron en estas problemáticas, de manera de reducir lasoperaciones de retoque y emprolijado de los moldes antes de ser cerrados. Una vezsolucionado este problema, la atención se centró sobre máquinas que fueran capaces

de moldear las arenas de moldeo propiamente dichas, contemplando así también eldesmodelado. Dentro de las técnicas de apisonado mecánico, en la figura 27 sedistinguen las cuatro principales, las cuales se las compara con la técnica de apisonadomanual.

Manual

1 – Densidad Variable. Proceso lento y laborioso.

2 - Bajo costo inicial

3 – Piezas únicas o partidas muy bajas.

Compresión 1 – Densidad uniforme en piezas planas.2 – Apto para piezas poco profundas.

3 – Desde la placa modelo, mejor densidad.

Compresión

+

Vibrado

1 – Densidad + uniforme respecto de compresión.

2 - Apto para piezas mas esbeltas.

3 – Desgaste del equipo. Operación muy severa.

Vibrado

1 - Densidad + uniforme respecto de compresión.

2 - Apto para piezas poco profundas.

3 - Gran desgaste del herramental; alta severidad.

Proyección

Sand Slinger

1 - Alta velocidad de moldeo.

2 - Densidad uniforme contra el modelo.

3 – Para piezas muy grandes, sin límite de tamaño.

Figura 27. Comparación entre moldeo manual y distintos tipos de moldeo mecánico.

En caso de tener que optar por alguna de estas técnicas, ciertos factoresfundamentales deberán tenerse en cuenta:

• Tipo, calidad y cantidad de piezas a fundir (Prototipos, piezas únicas; partidas depequeña cantidad (menos de 500); mediana cantidad (mas de 500 y menos de 5000);alta cantidad (mas de 5000))

• Geometría de las piezas.

• Grado y perfil de densidades deseadas sobre las arenas de moldeo.

Moldeo por Compresión

Dado que la técnica manual de apisonado se basa en un esfuerzo de compresión, las

primeras máquinas de moldear fueron de este tipo. El modo de ataque consiste enaplicar un esfuerzo de compresión mediante un plato que tiene exactamente las




dimensiones superficiales de la caja de moldeo, en la que el modelo debe estarperfectamente posicionado (por lo que siempre se opta por placas modelos) y con lacantidad de arena correspondiente. En este tipo de moldeado, el perfil de densidadesvaría notablemente con la forma del modelo, estableciéndose los mayores valores enlas zonas cercanas al pisón, y los menores valores (con las posibles penetraciones de

metal en el molde) en las zonas cercanas al modelo, y dependiendo además de lageometría del mismo. Para contrarrestar esto, y buscar densidades uniformes en lasarenas en contacto con el modelo, se invirtió el sentido de compresión (inclusive hastamanteniendo la compresión superior), es decir comprimiendo desde la placa modelo,obteniéndose sensibles mejoras, tal como se observa en la figura 28. De todas formas,y dado que no otorga un perfil de densidades uniforme, se lo utiliza para cajas de pocaaltura. Otra forma de mejorar el perfil demayor es reproducir

densidad pero a un costo de herramental

en el pisón el perfilel modelo (figura 29).

Figura 28. Moldeo por cola placa modelo.

presión:

e 250°C, son ampliamente usados en arenas revestidas para caja tibia y caja caliente.

Figura 30. Moldeo por compresión para molde vertical y/o noyo.

d

mpresión desde

Figura 29. Moldeo por comisón liso y pisón modelo.p

Como es usual en este tipo de tecnologías, hay innumerables variantes paraobtener fines similares. En la figura 30 se observa la asistencia de un soplador para

alimentar una cavidad que conforma moldes verticales. Se puede notar que en ciertaforma es una forma de consolidar noyos. Este ejemplo, con temperaturas de régimend




En la figura 31 se observa un claro ejemplo de variaciones en el perfil dedensidades producto de la compresión; esta variación, producto de la propia fricción delas arenas contra la placa modelo, estará directamente relacionada con la propiedad defluidez de estas. Intuitivamente se aprecian las solicitaciones frente a desgaste porabrasión a las que se enfrentan este tipo de herramentales.

Como es usual en este tipo de tecnologías, hay innumerables variantes paraobtener fines similares. En la Figura 26 se observa la asistencia de un dosificador paraalimentar una cavidad que conforma moldes verticales. Se puede notar que en ciertaforma es una forma de consolidar noyos. Este ejemplo, con temperaturas de régimende 250°C, son ampliamente usado en arenas revestidas para caja tibia y caja caliente.

Superficie superior del molde

Densidades en gr/cm3

1.3 1.4 1.4 1.5 1.5 1.5 1.4 1.4 1.3

1.3 1.2 1.3 1.5 1.4 1.5 1.3 1.3 1.3

1.1 1.1 0.8 0.9 1.1 1.1

1.0 1.0 0.8 0.8 0.8 0.9

0.8 0.7 0.7 0.7 0.7 1.0

0.6 0.5 0.5 0.6 0.6 0.7

0.5 0.4 0.4 0.5 0.5 0.5

0.3 0.4 0.1

Penetraciónde la placamodelo enlas arenas

0.4 0.5 0.4

Superficie inferior del molde

Figura 31. Fluidez de las arenas en moldeo por compresión.Dimensiones del pisón superior: 76,2 x 152,4 mm; Altura y densidad molde inicial:

304,8 mm y 0,8 gr/cm3; Altura y densidad molde final : 203,2 mm y 1.0 gr/cm3; a laizq., grilla experimental, con arenas coloreadas para observar las deformaciones.

Moldeo por Vibrado

Este método se basa en que las arenas de moldeo se asienten mediante una acciónviolenta sobre el eje vertical. La operación consiste en elevar y hacer descendervelozmente al sistema (placa modelo + caja de moldeo + arenas de moldeo); al

descender, y al tener el sistema un peso considerable, el golpe seco distribuye lasarenas alrededor de la placa modelo. Esta operación se repite hasta que la densidadsea la necesaria, la cual también será dependiente de la geometría del modelo;generalmente esta acción no es menor a tres veces ni mayor a seis veces y en moldesnormales el tiempo total de la operación de moldeo no debería ser superior a los 30seg. En la figura 32 seobserva el esquema defuncionamiento de un equipode moldeo por vibrado simple.

Figura 32. Moldeo porvibrado.




Sin embargo, es muy usual combinar técnicas de vibrado + compresión. En lafigura 33 se observa un sistema inicial de vibrado, seguido de un posicionamiento delpisón para posteriormente accionarse una etapa de compresión; como suele sucederpara mantener un perfil de densidad homogéneo sobre la superficie de moldeopropiamente dicha, se debe notar que la compresión viene desde el modelo. En la

figura 34 se observa una máquina por vibrado asistida por pisones de compresiónindividuales.

Figura 33. Moldeo por vibración asistido compresión con pisón único.

Figura 34. Moldeo por vibración asistido

por compresión con pisones individuales.




Es normal que estos equipos a su vez tengan dispositivos de volteo, ya sean detipo turnover o de tipo abanico. Este se realiza para que las operaciones dedesmodelado sean menos problemáticas. En la figura 35 se observa un equipocombinado de moldeo por vibrado + compresión, y una vez que las arenas estánconsolidadas la caja de moldeo rota 180°, en forma de abanico, y se deposita junto a

una placa desmodeladora, la que se valen a menudo de vibradores neumáticos. Desdeya que todo este herramental se justifica para partidas importantes, donde hay unagran cantidad de cavidades a moldear. En la figura 36 se observa un detalle del brazode volteo propiamente dicho.

Figura 35. Moldeo por vibrado + compresión, rebatible en abanico.

Figura 36. Moldeo por vibrado y compresión + turnover.

Moldeo por Proyección – Sand Slinger

Esta técnica de moldeo se basa en la proyección violenta de las arenas de moldeocontra el modelo, siendo esto para piezas de gran tamaño, para cajas de mas de 1 m 2 de superficie; se debe contemplar que, por ejemplo, colar contramatrices en fundiciónlaminar, con un peso entre 15 a 20 T, necesitan cajas de aproximadamente 3 x 4 m desuperficie. Este método tiene la particularidad de que se obtiene muy buenasresistencias en los moldes, debido a las energías en cuestión; esta proyección, al ser dealta velocidad, hacen innecesarios apisonados manuales. Generalmente se compone deun conjunto de palas que giran a alta velocidad, que es alimentado por arenas que son

transportadas mediante una cinta transportadora, a su vez esta tomadas de unpequeño vagón que desliza sobre rieles. Las arenas deben venir perfectamente




mezcladas, ya que el equipo lo único que hace es proyectarlas. Constructivamente, elconjunto de turbina y cinta transportadora se monta sobre un sistema de brazosseparables, de tal manera que se pueda desplazar por toda la superficie de la caja demoldeo.

A su vez existen dos tipos de máquinas: sencillas y compuestas. En las primeras(figura 37), el movimiento del dosificador esta otorgado por un control operado a travésde un comando tipo manual.

Figura 37. Moldeo porproyección - Sand Slinger.

En las segundas (figura 38), ya estas de mayor tamaño, un operario se sitúaencima del dosificador, de manera que mediante un sistema de posicionamiento tipo

joy-stick controla perfectamente el llenado de la caja de moldeo.

Esta técnica de moldeo es muy dependiente de la destreza del operario. Barreruna zona del modelo a alta velocidad induciría densidades bajas, con posiblespenetraciones de metal en el molde, mientras que un ataque excesivo generará undesgaste prematuro del modelo.

Figura 38. Equipo para cajas de gran tamaño por proyección - Sand Slinger.




2.1.5.- SISTEMAS ESPECIALES DE MOLDEO

En este apartado se verán otras técnicas de moldeo, exceptuando a las de arenatradicional.

Moldes cerámicos – Método Shaw

Los moldes cerámicos se caracterizan por ser utilizados para colar piezas de gran calidad.El material de moldeo son las “harinas” de Zr, que como ya se ha aclarado son materialesde muy baja granulometría, por lo que dan una excelente terminación superficial sobre lapieza colada. Por otro lado, como estas “harinas” son muy refractarias, no hay problemasde penetración de metal dentro de los moldes, por mas que este muy sobrecalentado. Espor este motivo que las aleaciones a colar pueden tener gran colabilidad, ya que ademásdel sobrecalentamiento del metal, es usual precalentar los moldes a muy altastemperaturas (incluso por encima de 800°C). Este precalentamiento del molde no soloincrementa la colabilidad del metal, sino que evita la rotura del molde por shock térmico.

Otras grandes ventajas son la ausencia de inclusiones no metálicas provenientes delmolde, ya que estos prácticamente no se erosionan y, sobre todo, la ausencia dereacciones molde/metal, ya que no hay presencia ni de agua ni de ligantes orgánicos quese degradan en presencia del metal en estado líquido. Las desventajas son dos: el costodel material (sobre todo en los moldes de gran tamaño) y la baja permeabilidad delmolde, que para que sea posible se debe generar una red de micro grietas que permitenla salida del aire de la cavidad de moldeo.

Las principales aplicaciones se dan en el colado de piezas de acero inoxidable debuen tamaño para la industria alimenticia, aceros de herramienta (utilizados en laconstrucción de estampas de conformar: corte, embutido, doblado, etc.), puentes deextrusión, etc.

Se parte de un modelo tradicional (generalmente metálico o polimérico, inclusohasta de madera, naturalmente bien impermeabilizado), se lo enmarca y se procede acolar la mezcla cerámica: 100% Zr + ligante, generalmente 100 ml de etil silicatohidrolizado, por cada 0,9kg de refractario + un agente de gelación (que permitedesmodelar a los 4’ al tomar la mezcla un aspecto gelatinoso). En la figura 39 se observantodos los pasos, desde el material de partida (paso 1), el ligante (2), la mezcla de ambos(3), el colado propiamente dicho de la mezcla cerámica (4), el desmodelado luego deltiempo de gelado (5), el microcrakeado generado por el quemado de los alcoholespresentes en el ligante (6), el sinterizado del molde (7) buscando incrementar laspropiedades mecánica del molde. La temperatura de sinterizado es la propia paracualquier cerámico de base Zr, alrededor de 1700°C. Por último, y generalmente con elmolde a alta temperatura por el propio enfriamiento desde el sinterizado, se procede a lacolada del metal (8). Un aspecto fundamental es el tamaño de las microgrietas generadasen el paso 6; deberán ser los suficientemente grandes como para dejar pasar el aire de lacavidad de moldeo, pero sin que este tamaño sea tal que queden rastros sobre lasuperficie de la pieza fundida, a menudo visibles en función de la gran colabilidadnecesaria por la operación.




Figura 39. Esquema de tareas para obtener un molde cerámico por método Shaw.

Ceras perdidas

Partiendo de que el material refractario con el cual esta confeccionado el molde esexactamente el mismo que los moldes cerámicos, esta técnica se utiliza para piezas deprecisión de pequeño tamaño. Es por este motivo que las piezas obtenidas por cerasperdidas también tienen muy buena estabilidad dimensional, por lo que pocas piezasserán rechazadas por defectos superficiales o por problemas de cotas. Generalmente secuelan por este método piezas de acero (que se cuela por encima de 1650°C), todo tipode piezas de uso biomédico (incluidos los mecánicos dentales), así como en orfebrería,donde el concepto de NNS-FCF es crítico, ya que el gramo de oro es de alto costo yperderlo por mecanizado es prácticamente inadmisible.

En esta técnica intervienen dos tipos diferentes de moldeo. En primer término unsistema de molde permanente que generará una gran cantidad de modelos descartablesde cera y en segundo término un molde descartable que se perderá una vez que el metalhaya solidificado. Por este método se cuelan generalmente piezas pequeñas,contemplando que todo el árbol no pese mas de 25 – 30 kg, ya que por la propiafragilidad del molde solo se lo puede manipular manualmente.

Ceras para inyectar las hay de varias formas. Generalmente atacan moldesmetálicos, en estado líquido o semilíquido (etapa 1, figura 40), se espera que disminuyala temperatura, de tal forma que se produzca el cambio de fase, y se procede aldesmoldado del modelo de cera de la matriz metálica (etapa 2). Debido a que las cerasde moldeo solidifican por debajo de 80°C (temperatura muy baja), una matriz que trabaje

con ceras tendrá una larga vida útil (cientos de miles, literalmente).




Una vez que se obtienen una cierta cantidad de piezas, las mismas se vanadhiriendo alrededor de un tronco de cera mediante palillos, también de cera, queactuarán, una vez generada la cáscara cerámica y el posterior descerado, como losalimentadores del metal líquido desde el tronco a la cavidad de moldeo (etapa 3).Construido el árbol, se lo sumerge en una batea con el material refractario, que al tener

una granulometría muy baja (400 Mesh), se mantiene en suspensión coloidal (etapa 4).Luego de tener esa primera inmersión, se lo sumerge en sucesivas etapas de manera de irengrosando las paredes del molde, primero en cubas con la mezcla de igual granolumetríaque las rociadas, y a medida que se va engrosando la capa depositada, va disminuyendola calidad de las arenas, siendo las ultimas de tipo chamote, ya que solo actúan comorespaldo (etapas 5 y 6).

Figura 40. Esquemas de tareas para obtenerpiezas de precisión mediante ceras perdidas.




Una vez que el molde tiene la rigidez necesaria (previo secado de alrededor de 3hs. a 30°C), se lo da vuelta y se lo calienta a una temperatura superior a la de fusión de lacera (en este caso 80°C), fundiéndose la cera y desalojando la cavidad de moldeo porgravedad (etapa 7); la cera se recupera y se la vuelve a utilizar, previo agregado de un %de ceras nuevas mas el agregado de aditivos que le mejoran la propiedades.

Volviendo al árbol, luego del descerado se lo sinteriza, por encima de los 1500°C,con dos fines: el primero y fundamental, para incrementar las propiedades mecánicas delmolde; el segundo, para eliminar vestigios de cera, que al ser un material orgánico,reaccionaría con el metal generandoimportantes defectos, inadmisibles para unapieza de precisión. Por otro lado, paraobtener la gran colabilidad necesaria, sesuele colar con temperaturas deprecalentamiento de molde cercanas a800°C, aprovechando esta temperatura

durante el enfriamiento del sinterizado (etapa8), tal como en Shaw. Por último, se lovuelve a girar, se lo llena de metal en estadolíquido, se espera a que solidifique y luego seprocede a romper la cáscara, quedando elárbol armado, aunque esta vez metálico(etapa 9 y 10); un árbol listo para serrevestido se observa en la figura 41.

Figura 41. Arbol por ceras perdidas.

Un aspecto fundamental de esta técnica es que por el delgado espesor de lasparedes del molde, no hace falta microfisurar las mismas para permitir la salida del airedentro de la cavidad de moldeo. Por otro lado, no hay forma de colocar noyos y la piezaserá igual a la pieza en cera moldeada, mas allá de que por la propia flexibilidad de lacera, permite un desmoldado poco traumático de la matriz metálica.

Coquillas metálicas

Este tipo de moldes se utilizan cuando se debe hacer un gran número de piezas. Si bienlos moldes permanentes son de un costo mayor, el costo del mismo es prácticamenteinsignificante cuando se divide entre todas las piezas el cual el molde es capaz deproducir. Si bien el 95 % de las aleaciones ferrosas se cuelan en moldes de arena, el 50% de las aleaciones de Al se cuelan en moldes metálicos, ya sean por gravedad o por Diecasting, mediante una asistencia por presión en cámara fría.

Desde ya que estos moldes se deberán construir de materiales metálicos que

tengan un punto de fusión superior al del metal a fundir. Generalmente se utilizan parafundir metales con medio, bajo y muy bajo punto de fusión, desde 1050°C hasta 200°C y




las coquillas están construidas de acero o hierro (con puntos de fusión superiores a los1500°C). Por otro lado, un caso emblemático son las coquillas para fabricar plomadas depesca: debido a que lo que se funde es Pb, y este tiene con una T f = 327°C, se lo cuela enuna simple coquilla de Al, lógicamente con 660°C de Tf .

Las ventajas de los moldes permanentes respecto al moldeo en arena son estas:

* Mayor productividad; mayor rapidez, mas limpio y menor costo en grandeslotes.

* Repetitividad de las piezas obtenidas; significa que todas las piezas serániguales.

* Mejor terminación superficial de las piezas; prácticamente no presentandefectos.

* Ausencia de reacciones molde/metal.

Las desventajas respecto al moldeo en arena son estas:

* Alto costo de la coquilla; no justificable para pocas piezas.

* Problemas para fundir metales de alto punto de fusión.

* Problemas en piezas esbeltas, ya que tienden a solidificar por las altas velocidades deextracción de calor.

* Muy baja flexibilidad para cambios en la matriz.

Para acelerar el proceso de solidificación (y aumentar de esa manera laproductividad ya que si solidifica mas rápido, mas rápido se puede volver a llenar elmolde), a los moldes metálicos se les suele agregar algún tipo de enfriado forzado, esdecir que se enfría la masa metálica que en definitiva le extraerá calor a la pieza. Luego,como la extracción de calor es mas brusca, las piezas obtenidas en coquillas metálicastendrán el grano mas fino y por ende mejores propiedades mecánicas.

La evacuación del aire de la cavidad de moldeo es un tema delicado, debido a lanula permeabilidad de una matriz metálica. Se deberá tener sumo cuidado en la ubicacióndel bebedero y, en especial, de la mazarota. Una solución para este problema es el talladode pequeñas canaletas que van por las paredes de la matriz y que llegan hasta la cavidad.La eliminación de estos tipos de alfileres metálicos es muy simple ya que son tan finos quese desprenden con un mínimo esfuerzo. Algo similar se observa en la inyección de piezaspoliméricas, incluso en el vulcanizado de elastómeros.

En la figura 42 se ve un molde metálico, mas allá de que el esquema tiene un cortepara poder observar el sistema de cierre.

Figura 42. Coquilla metálica

simple de accionamientomanual.




Por otro lado, tal como ocurre en piezas poliméricas, no es complicado detectarpiezas que han sido coladas en moldes metálicos, ya que en las superficies negativassuelen quedar las improntas dejadas por los extractores, las cuales son mas o menosvisibles en función del tiempo que transcurre entre que se atacó la pieza y en el queactúan los extractores; cuanto mayor sea el tiempo de la pieza dentro de la matriz, menor

será la impronta.

En la figura 43 seobserva una coquilla de mayorcalidad, con guías queaseguran un correcto cierreentre placas. Es usualautomatizar procesos, tal comose observa en las figura 44.

Figura 43. Coquilla metálicaguiada, con noyo metálico.

Figura 44. Sistemas automáticos para incrementar la productividad

Colada asistida por presión

Es un método para grandes producciones, utilizado para metales no ferrosos, y donde elprincipio de funcionamiento es el llenado de una coquilla metálica mediante la asistenciade presión, tal como la inyección de polímeros. Son sumamente eficaces ya que aparte degenerar un gran número de piezas, prácticamente no necesitan mecanizados posteriores.El método de colada es introducir en forma violenta una porción de metal en estadolíquido (o pastoso, sino esta tan caliente) dentro de una matriz perfectamente diseñada.Si bien la forma de aplicar la presión para introducir el metal dentro de la matriz puede serde variadas maneras, se pueden subdividir en dos tipos:




Cámara Fría: en este método, y tal como se lo ve en la figura 45, al metal en estadolíquido se lo coloca, manualmente o en forma automática, dentro de una cámara depresión (etapa 1). Rápidamente el metal es inyectado hacia la matriz (die) por medio deun émbolo o pistón (etapa 2). Estos métodos se utilizan para producciones de hasta 120piezas por hora, es decir que entre carga, presión del émbolo y apertura de la matriz para

sacar la pieza terminada, no tardará mas de 30 seg (etapa 3). La ventaja respecto delmoldeo en cámara caliente es que el sistema es independiente del horno que mantiene almetal fundido. Generalmente no se utilizará para piezas mayores de 6 Kg en aleaciones abase de Al, Sn, Pb, de 4 Kg para piezas a base de Cu y de 1 Kg para aleaciones a base demagnesio. Se deberá tener especial cuidado con el diseño de la matriz ya que sino secomplica la extracción de la pieza.

Figura 45. Máquina para colada a presión por cámara fría.

Cámara Caliente: el equipo para este tipo de colada se divide en dos partes: un conjuntomatriz-pistón, similar al anterior, y un sistema (generalmente a través de un horno de tipocrisol) que mantenga al metal en estado líquido manteniéndolo a una temperatura óptima.Debido a las exigencias térmicas propias de la operación, solo se utiliza para inyectarpiezas de aleaciones de muy bajo punto de fusión, es decir por debajo de 450°C, lascuales son aleaciones a base plomo, base estaño y base zinc; si se controla la atmósfera através de gases inertes de tal manera que eliminen la presencia de oxígeno y de esaforma evitar la corrosión, se pueden inyectar aleaciones de magnesio. Tal como se ve en

la figura 46, una porción de metal fundido que esta dentro del crisol es empujado por unémbolo y de tal forma este corre a lo largo de un conducto (gooseneck) hasta introducirseen la matriz propiamente dicha. Si bien la apertura de matriz para retirar la pieza puedeser manual, como generalmente el tamaño de las piezas es chico (de no mas de 300 gr.,aleaciones con δ=4-5gr/cm3), mediante automatización, tanto de la carga como deapertura y cierre de la matriz, se pueden obtener hasta 1000 piezas por hora, es decir querealiza todo el ciclo en no mas de 3 seg. y fracción. Una ventaja de este método es que elmetal no entra en contacto con el aire; luego se evitan todo tipo de inclusiones nometálicas en formas de óxidos, aparte de la seguridad del operario (disminuyendo elriesgo por quemaduras).




Figura 46. Máquina para colada a presión por cámara caliente.

Modelos Vaporizantes

Este tipo de técnica de moldeo es particular ya que no hay operaciones de desmodelado,debido a que el modelo se evapora cuando toma contacto con el metal en estado líquido.

Esto significa que el modelo quedará dentro del molde, aún antes de colar el metallíquido. Luego, la generación de una gran cantidad de humos dentro de la cavidad demoldeo, hace necesaria la utilización de arenas no ligadas de tal forma que lapermeabilidad sea lo mayor posible.

El material mas usado para este tipo de modelo son los polímeros celulares, ydentro de ellos, el PSExp. (Poliestireno expandido – Telgopor) y el Exporit (espumas baseúrea); sin embargo, como los gases emanados del telgopor son altamente tóxicos (y estono es problema si se cuela un prototipo o una cantidad mínima de piezas, pero si lo es sise mantiene una producción en serie), generalmente se recurre al Exporit, el cual nodesprende gases tóxicos pero es de costo mas elevado.

Este tipo de modelo se utiliza cuando la pieza tiene una geometría tal que se haceimposible de generar mediante un conjunto de modelos y noyos. La particularidad de estesistema es que se puede contemplar ir armando la cavidad de moldeo a medida que sellena de arena el marco en cuestión. Debido a que el PSExp. del modelo no es rígido, sedebe tener cuidado en el apisonado ya que una deformación en el mismo generará unafutura deformación sobre la pieza terminada. En este tipo de colada, que hay una grangeneración de gases, siempre es necesario buenos venteos; inclusive, tanto el bebederocomo mazarota serán del material vaporizante.

De la misma forma que en una colada normal en arena, se deberán tener encuenta las contracciones del metal. En este método se puede obviar el tema de losángulos de salida ya que no se debe retirar el modelo una vez terminado el moldeo.




Es usual pintar a este tipo de modelos con alguna pintura cerámica degranulometría muy fina, por ejemplo con harinas de Zirconio, de forma que se genereuna cáscara sobre las paredes del modelo y elmismo no se deforme durante el manipuleo dela operación del moldeo; esta pintura debe ser

lo suficientemente fina como para manteneruna alta permeabilidad (figura 47). Un aspectomuy importante será la δ del PSExp., ya quecuanto mas denso es, mejores propiedadestiene y es mas fácil de mecanizar (no sedesgrana, típico de los telgopores de bajadensidad), pero mayores serán las reaccionesmodelo/metal, y mayores la cantidad de humosa evacuar. Es muy usual que piezas moldeadaspor estas técnicas queden sopladas.

Figura 47. Modelo vaporizante con pinturacerámica dentro de un molde de arenas no

consolidadas.

Una gran ventaja de esta técnica es que se pueden obtener piezas huecas sin

presencia de noyos, tal como se ve en la figura 48 en la comparación entre utilizar unmodelo normal y uno perdido. Por otro lado, al no haber sobre y bajero ni noyos,significa que la pieza final no tendrá ningún tipo de rebabas a eliminar.

Figura 48. Comparación entre moldeo convencional y moldeo con modelo vaporizante

Colada centrífuga

La colada centrífuga se divide en dos técnicas que nada tienen que ver una conotra. Las de eje horizontal, adecuadas para piezas de revolución huecas y las




centrifugadas por eje vertical, para piezas que deben tener alta colabilidad y entonces sebusca una fuerza adicional, en este caso debido a las fuerzas centrífugas. Esto significaque por centrifugado se siguen incrementando las formas tradicionales de incrementar lacolabilidad: modificar la composición química; si no es posible, sobrecalentar el metal; sino es posible, precalentar el molde y si no es posible, asistir por centrifugado.

En estos procedimientos el metal líquido se introduce en el molde, el cual gira conrapidez, y producto de la aceleración centrífuga el metal se proyecta hacia las paredes delmolde. Luego este se endurece y forma una pieza con una dada geometría.

Colada centrífuga horizontal: en el colado con eje de rotación horizontal, el molde gira aaltas velocidades de manera que el espesor de las paredes de la pieza cilíndrica huecaresultará uniforme. La ventaja de este tipo de colada es que como el metal esimpulsado con fuerza sobre el molde, quedan muy pocas burbujas de aire retenidas,logrando de ese modo muy buenas terminaciones. Se obtienen piezas de granestabilidad dimensional y aparte es apropiado para grandes producciones. El uso típico

de este tipo de colada es para tubos huecos usados en desagües y/o alcantarillas. En lafigura 49 se ve un corte de la matriz de moldeo, donde se puede apreciar tanto la cucharacon la cual se vierte elmetal líquido como elcabezal giratorio que hacegirar a la matriz.

Figura 49. Colado porcentrifugado horizontal;se las utiliza para piezas

huecas de revolución.

Colada centrífuga vertical: este tipo de colada se utiliza cuando por problemas de copiadose necesita una fuerza impulsora que incremente la colabilidad del material. Este tipo deasistencia, también llamada Spin Casting, puede ser tanto con moldes metálicos, conmoldes de caucho siliconado, con moldes por ceras perdidas y en definitiva, con cualquiermolde que tenga un eje de rotación vertical que pase por el basín de colada. Las ventajasde los moldes de caucho siliconado es que mediante calor y temperatura se puede

endurecer dicho caucho sobre una serie de piezas originales y de esa forma obtener unamatriz en un lapso de 2 hs; esto es imposible de pensar si se quiere realizar una matrizmetálica (figura 50). El inconveniente es que las matrices de caucho siliconado solopueden operar con temperaturas no mayores a los 500°C. Mas allá de que se puedencolar aleaciones de base Al, generalmente no admiten mas de 50 ciclos, mientras quepara aleaciones de base Zn admiten mas de 500 ciclos. De la misma forma, essumamente útil cuando se desean obtener piezas poliméricas, sobre todo en termorrígidos(que se cuelan a temperaturas ambientes, mas allá de alguna reacción exotérmica de nomas de 50 grados de calentamiento), pero no así en termoplásticos (cuando en algunosde ellos las Tf son superiores a los 350°C). Otra ventaja del caucho siliconado es que

como el material es deformable (aunque luego toma su forma original), se puededesmodelar fácilmente, aunque tenga algún tipo de cara negativa. En la figura 51 se




pueden apreciar tanto el proceso decolada, como la disposición de las piezasdentro de la matriz; nótese tanto eldistribuidor, los canales alimentadores ylas bolillas separadoras.

Figura 50. Colada mientras centrifugael molde, incrementando la colabilidad.

Figura 51. Colada centrífugavertical, tallado y vulcanizado delos moldes de caucho siliconado.

2.1.6.- FUSION Y COLADA DEL METAL

Fusión del metal

Tal como se vio, en aleaciones ferrosas, la primer fusión se realiza para eliminar el O delmineral rico en óxidos de Fe. Esta reducción se realiza en altos hornos, y en función de lacalidad del arrabio, si es buena se lo destina para convertirlo en acero (utilizado paraproductos planos, perfiles, estructurales, etc.) mediante los diferentes hornos derefinación, mientras que si es de alto S o P se lo destina para una segunda fusión, paraalimentar piezas coladas por fundición. Para efectuar esta segunda fusión generalmentese usan los siguientes hornos: de cubilote y eléctricos, tanto de inducción como de arco.En caso de aleaciones de base Cu y base Al, esta segunda fusión generalmente se iniciaen hornos de reverbero, mientras que el ataque a los moldes se realiza desde pequeñoshornos de crisol, comúnmente llamados hornos de mantenimiento. Estos, no solomantienen la Tf apropiada, sino que sirven para alear, desgasificar, y en definitiva, darle eltratamiento necesario al metal base. Estos hornos de crisol generalmente no alcanzan




mas de 1100°C, por lo que para mantener aleaciones base Al no hay mayor problemas,mientras que en aleaciones base Cu la capacidad de calentamiento ya esta mas ajustada.

Hornos de cubilote

En rasgos generales, estos hornos no dejan de ser pequeños altos hornos, siendo losmismos ampliamente usados para obtener únicamente fundiciones de Fe. Estos hornos secargan con arrabio, chatarra de acero y el propio retorno de la fundición como cargametálica, coke como material combustible y la presencia de algún fundente para mejorarla colabilidad del metal. La carga se ingresa por la parte superior mientras que airecaliente se inyecta por la base del crisol. El hierro se puede colar en forma continua ocada determinado tiempo; lógicamente, la carga se suministra con la misma frecuencia, esdecir, de forma continua o alterna.

El tamaño de estos hornos es muy variable, desde 0,5 Tn/h hasta 30 Tn/h . Esusual que se usen combinados con hornos eléctricos de arco (también de gran tamaño,

aunque de carga discreta), es decir, obteniendo la primer fusión del hierro en el cubilote,pero de forma tal que el sobrecalentamiento y el control de la composición química serealice en los hornos eléctricos.

Un aspecto crítico en estos hornos es el control de la composición química, ya quepor el gran volumen de chatarra que consumen, a menudo no se puede realizar unacorrecta clasificación de la misma, y como ejemplo, no se debe olvidar que hay tantoaceros como fundiciones con tenores de Cr dehasta 30%. Por otro lado, en los cubilotes demayor capacidad, el espesor de la paredrefractaria alcanza valores de hasta 300 mm.Desde ya que estos hornos no presentan unabuena calidad del metal fundido debido a que elmismo se encuentra tanto con el combustiblecomo con las llamas. No obstante, lasvelocidades para fundir el metal son muy altas,aparte de permitirme un proceso continuo y nointermitente como en los hornos de crisol yreverbero. El esquema del horno se observa enla figura 52. Antes de cargar el arrabio se debepreparar un lecho de combustible (una fina capa

de astillas de madera) y a continuación el coke.Luego la carga se alterna con una capa dearrabio y chatarra con otra capa de combustible(coke); cada tanto se le puede agregar un pocode piedra caliza como fundente.

Figura 52. Horno de cubilote.




Cuando los hornos no son de funcionamiento continuo, cada vez que se realiza unacolada, salvo que se trabaje con la misma composición química, se debe limpiarcompletamente el horno.

Hornos eléctricosHornos eléctricos, típicos por la precisión de la composición química en función de que lascorridas son discretas, los hay de dos tipos:

Hornos de arco: son hornos de buena capacidad, desde 200 kg hasta mas de 10 Tn. Elprincipio de funcionamiento se basa el un arco eléctrico que se establece ya sea entreelectrodos (que van inmersos en la carga) o entre los electrodos y la carga propiamentedicha. Este arco no solo calienta (se estima que la temperatura de una chispa estaría porencima de los 7000°C, pero al ser una temperatura de flash es muy difícil de evaluar) sinoque por la violencia del mismo, genera una agitación que promueve la uniformidad tantode temperatura como de composición. Se los suele cargar con el metal que sale de los

cubilotes. Los electrodos son de grafitoy de gran tamaño, por lo que hay unamuy leve contaminación por C en lacomposición química (figura 53).

Figura 53. Horno eléctrico de arco.

Hornos de inducción: estos hornos son mas pequeños, generalmente no mayores a 300kg de capacidad. El calentamiento se produce a través de una bobina que genera líneasde campo que atraviesan la carga metálica. Son hornos con un sofisticado control de susparámetros eléctricos, y son capaces de generar calentamientos de hasta 1700°C.Utilizados para colar aceros y hasta para fundir pequeños implantes dentales o enorfebrería, el control de la composición química es muy preciso. También utilizado parafundiciones, en estos casos el problema es el decaimiento del porcentaje % de C con eltiempo de sobrecalentamiento, ya que el C reacciona con el O y se va en forma de CO yCO2. Las técnicas de colada por

precisión, tanto Shaw como Cerasperdidas, se las suele colar con metalesprovenientes de este tipo de hornos(figura 54).

Figura 54. Horno eléctrico de inducción.




Hornos de reverbero

Consisten fundamentalmente en una cámara con un techo abovedado y un suelo concierta inclinación. En este tipo de horno el combustible no está en contacto con el metal afundir, pero si lo está la llama. Si el combustible esta en estado sólido, tal como seobserva en la figura 55, el hogar estará separado, aunque adosado, a la cámara delhorno. Se busca que la llama sea larga y se la hace correr a lo largo del techo de labóveda.

Figura 55. Horno de reverbero.

En los hornos calentados por llamas generadas por gas, en una pared se ubican losquemadores y en la otra la chimenea. Mas allá de que se los utiliza como horno deprimera fusión en aleaciones base Al, aparte de requerir un gran tiempo de calentamiento,el contacto de la llama con el metal le agrega muchas impurezas. Por otro lado, existenhornos rotativos, que son la combinación de hornos de reverbero y hornos de crisol.Mientras la llama calienta el techo, la lenta rotación (no mayor a 1-2 RPM, según lacapacidad del horno) convierte el techo en piso, así continuamente, calentando a la cargaentonces por radiación y convección (desde el techo hacia la carga) y por conducción

(desde el piso hacia la carga).

Hornos de crisol

Son también empleados para fundir aleaciones de baja densidad. Sus tipos y tamaños sonmuy variados, pero todos consisten fundamentalmente en una cámara cerrada (revestidacon ladrillos refractarios), dentro de la cual se aloja el crisol; son de muy fácilconstrucción. Los hay fijos, tal como lo muestra la figura 55, en donde el metal se extraeo bien sacando el crisol o introduciendo una cuchara dentro de el; o móviles, de maneraque puedan bascular alrededor de un eje y facilitar la carga (figura 56). La calidad es

altamente satisfactoria ya que el metal no se encuentra en contacto directo con las llamas




o el combustible, por lo que no hay unacontaminación de la composiciónquímica. Los crisoles generalmente sonde dos tipos: de grafito y de carburo desilicio.

Figura 55. Horno de crisol fijo.

Figura 56. Horno de crisol basculante.

Colada del metal

Esto no es mas que el acto de llenar los moldes con el metal fundido y se realiza mediantela asistencia de cucharas las cuales pueden operarse manual o mecánicamente (figura57). Generalmente en estas cucharas se realizaran los tratamientos necesarios al metalbase, procediendo después a una buena desescorificación, ya que en caso de que esto noocurra, quedarán dentro de la pieza colada como inclusiones no metálicas. En la figura seobserva que en el maneral de la cuchara manual, uno de los extremos solo actúa comobase de apoyo, ya que la operación en si la maneja el fundidor, manteniendo un caudalde llenado uniforme.

En el caso de utilizar una cuchara demasiado grande se debe tener un diseño de lamisma tal como se observa en la figura 58, ya que al alimentar desde el fondo de lacuchara no hay presencia de escorias debido a que al tener menor densidad, flotan sobreel metal a colar; por otro lado, se evitan salpicaduras. La distancia entre los hornos y losmoldes será la menor posible, evitando de esa forma una pérdida de temperatura delmetal, con la consiguiente caída de colabilidad del metal a colar.




Figura 57. Cucharas necesarias para colar el metal fundido. La cuchara superior, paraatacar manualmente: la inferior, con un sistema de volteo mecánico.

Figura 58. Cuchara para colar tipo Tetera,tomando metal fundido del fondo y evitar el

ingreso de escorias.

Por último, la geometría de los canales de alimentación no es caprichosa, sino quese justifica como definiendo si los moldes son presurizados o no, así como trampaslaberínticas con la finalidad de atrapar escorias. Es usual la utilización de filtros dentro delos canales de alimentación, y si bien es cierto que disminuyen colabilidad, evitan lapresencia de escorias como inclusiones no metálicas dentro de la pieza colada.




Tecnología I - U2.2 - Forja - 1

UNIDAD 2.2. - FORJA

1.- Introducción, 2.- Forja en frío, 3.- Forja en caliente, 4.- Operaciones de forja. 5.-Condiciones de trabajo.

1.- INTRODUCCION

Los metales, bajo esfuerzos de compresión, deforman. Si las tensiones son pordebajo del límite elástico, deforman elásticamente, pero si esta supera dicho límite,las deformaciones se convierten en deformaciones plásticas, es decir, permanentes.

El proceso de forja es un conformado mecánico de piezas metálicas el cualconsiste en el martillado, y/o prensado, de un bloque de origen hasta llegar a laforma deseada. Puede ser tanto en frío como en caliente, de acuerdo al metal y a lamagnitud de la deformación a aplicar. Términos como maleabilidad, ductilidad,forjabilidad son fundamentales para indicar la habilidad de los metales para serdeformados. Naturalmente la deformación en frío demanda mayores esfuerzos, limita

la cantidad de deformación a aplicar, mejora las propiedades mecánicas y por últimola pieza queda con una muy buena terminación superficial. Cuando la deformación esen caliente los esfuerzos necesarios son menores, hay un comportamiento constantemecánico en la operación (recristalizado continuo), existe la posibilidad de obtenerformas variadas, pero la gran desventaja es la mala terminación superficial, debido alas altas temperaturas de trabajo y su consecuente oxidación.

El trabajo de forja aplicado a los distintos metales se conoce desde laantigüedad. En la actualidad se forjan muchos materiales metálicos. Los mascomunes son aceros de bajo C, aceros aleados, Cu y sus aleaciones y Al y susaleaciones. Estas generalmente se encuentran con bajos contenidos de elementos

aleantes, significando que hay un gran % del metal base, por lo que son aleacionespara deformación. Generalmente mayores % de aleación tienden a disminuir lastemperaturas de fusión, por lo que dichas aleaciones se definen como aleacionespara colar. Volviendo a conceptos que se vieron en la Unidad 1, una de laspropiedades tecnológicas era la forjabilidad, y en definitiva es la facilidad de unmaterial para ser deformado. Este procedimiento se utiliza para fabricar piezas muyresistentes, pero que no sean de forma muy complicada: bielas, ejes, ganchos,palancas, ruedas, todo tipo de herramientas de mano y otras parecidas. En la figura1 se observan algunas piezas que pueden obtenerse por forja.

Figura 1. Piezas obtenidas por operaciones de forja.




Las piezas forjadas requieren pocas operaciones de terminación, si bien escierto que en el caso de forjado mecánico se deberán necesitar tantas matrices comooperaciones de deformación sean necesarias. En la figuras 2 se observan las distintasetapas de deformación, en este caso 8, para la obtención de una simple llave deajuste. En la figura 3, las operaciones no solo de forja sino de acabado, montado y

ajuste para la obtención de un tijera de uso doméstico.

Figura 2. Ocho etapas de deformación para la obtención de un llave.

Figura 3. Ciclo completo, iniciado por forja, para la obtención de una tijera.

Desde el punto de vista del comportamiento bajo servicio, las operaciones deforja se utilizan en piezas que estarán sometidas a grandes solicitaciones. En lafigura 4 se analiza el comportamiento de los granos, respecto de la misma geometría

generada desde un sólido y posteriormente mecanizada, o directamente obtenida porcolada. Ese mejoramiento de las propiedades, reconocible por la deformación de los




granos, se dará cuando las operaciones de forja sea por debajo de la temperatura derecristalización. Intuitivamente se define una dirección preferencial para la aplicaciónde las solicitaciones, siendo esta paralela a la deformación principal de los granos. Unclaro ejemplo se observa en la figura 5, mostrando las líneas de flujo de una acerode construcción AISI 4340 (C:0,4%; Ni:1,82%; Cr:0,8%), definiendo una simetría y

una partición.

Figura 4. Microestructuras esquemáticas sobre la misma geometría: a)Forjado en frío; b) Mecanizado desde un sólido; c) Fundido.

Figura 5. Líneas de flujo en una pieza forjada.

Como en cualquier otra técnica, la misma puede estar combinada con algunaotra forma de transformado. La figura 6 muestra una misma pieza, en este caso ungancho de carga, obtenido mediante forja y corte (en la columna izquierda), respectode otro obtenido totalmente por forja (columna derecha). Es de suponer que elgancho totalmente forjado tuviese mejores propiedades mecánicas. Por otro lado,nótese que el forjado inicial se realiza sobre distintos materiales de partida: barra desección cuadrada y barra cilíndrica. La posteriorremoción para obtener la forma del gancho serealiza por corte por llama de gas.

Figura 6. Ganchos con distintoscomportamientos mecánicos.




Si bien todos los metales son forjables, generalmente serán mas deformablescuanto menos aleados estén. Tal como se aclaro previamente, los metales en estadopuro tiene la mayor deformabilidad posible.

2.- FORJA EN FRIOSe denomina forja en frío aquellas deformaciones que se realizan por debajo de latemperatura de recristalización y en donde las deformaciones generalmente se dan atemperatura ambiente. En frío generalmentelas deformaciones son sobre piezas maspequeñas, mientras que en caliente se da enpiezas de mayor tamaño. Mas allá de que nohay degradaciones superficiales por efecto detemperaturas, al generar deformacionesplásticas sobre el material, se obtienen

incrementos en las propiedades mecánicas, elcual es visible según el diagrama - que seobserva en la figura 7.

Figura 7. Mejoramiento de propiedadesmecánicas por deformación.

Sobre el diagrama - se observa que hay una deformación plástica límite,ya que si se desea deformar por encima de dicho valor, el material colapsará. Encaso de querer mayor deformación será necesario realizar un tratamiento derecristalizado, para recuperar la microestructura del material original. Dichotratamiento, si bien tiene ventanas de variación, de da alrededor de 1/3 de latemperatura de fusión; esa hace que las aleaciones base Fe dicha temperatura estéalrededor de los 500 ºC, mientras que en las elaciones base Al la misma estealrededor de los 200ºC. Conceptualmente esto se observa en la figura 8.

Figura 8. Recristalizado para poder seguir deformando.




Las presiones sobre las matrices pueden alcanzar valores muy altos, y unaforma de determinarlo es en tn/cm2. Estos van desde 3 a 30 tn/cm2, y por ejemplo,deformaciones en frío sobre aleaciones base Cu serán de alrededor de 11 tn/cm2.Cuanto mayor sea la presión, mejores serán los detalles obtenidos sobre lasuperficie.

Aleaciones base Cu para deformar son típicamente utilizadas para forja en frío. Al ser aleaciones con un gran periodo plástico, el endurecimiento por deformación esbajo. Por otro lado, la deformación en caliente se complica debido a que los óxidosde Cu (que se caracterizan por su color negro) son de muy alta dureza y por lo tantoabraden la matriz. En caso de necesitarse grandes deformaciones es usual alearlocon algún % de plomo-Pb.

Acuñado

El acuñado, tecnología para obtener cuños y sellos pero mas conocida por ser la que

fabrica todo tipo de medallas y monedas, es tal vez una de las primerasdeformaciones en frío conocidas por el hombre. Este tipo de operaciones secaracterizan por ser deformaciones muy precisas, logradas a través de matrices dealta precisión, teniendo estas una vida útil de varias decenas de miles de ciclos. Porotro lado, el desgaste natural de las matrices y sus pérdidas de ajustes generanprogresivas caídas en la calidad del producto acuñado. Esto se nota inclusive enmayor grado al analizar monedas falsas, donde claramente se observan pérdidas deprecisión, lo cual indica que se acuñan con cuños que suelen ser de mala calidad.

Las aleaciones a deformar, mas allá del oro y la plata, suelen ser aleacionesbase Ni (típico color plateado) y aleaciones base Cu, tales como se observa en lamoneda de la figura 9. El esfuerzo para lasoperaciones de forja será función de la aleación aacuñar. En la tabla I se observan datos ilustrativospara monedas de oro-Au, plata-Ar, aleacionesbase Ni y aleaciones base Cu.

Figura 9. Moneda acuñada.

Tabla I. Presiones y fuerzas paraacuñar distintos metales.

3.- FORJA EN CALIENTE

En las operaciones de forjado en caliente, en donde grandes deformaciones seobtienen a bajas cargas (figura10), es importante la temperatura de forja (Tf) a la

Material aacuñar

Superficie[cm2]

Presión[Tn/cm2]

Fuerza[Tn]

Oro-Au 9,07 (34mm Ø) 17,05 154,73,14 (20mm Ø) 14,57 45,76

Plata-Ar9,07 (34mm Ø) 17,64 160

1,13 (12mm Ø) 30,97 35

Ni 2,00 (16mm Ø) 90,00 180

Cu 2,00 (16mm Ø) 46,50 93




que se eleva el material, pues sila Tf es demasiado alta, estepuede romperse o agrietarse.Por otro lado, si es demasiadobaja, el trabajo para obtener la

deformación ha de ser muchomayor y también se corre elriesgo de producir grietas sobrela pieza.

Figura 10. Forja en caliente;alta deformación a baja carga.

Sin embargo, la temperatura de forja no es una temperatura tan determinadacomo, por ejemplo, el punto de fusión en la fundición, sino que admite una mayorvariación. Al conjunto de temperaturas comprendidas entre la máxima y la mínima aque se puede forjar un material se le da el nombre de intervalo de temperaturas deforja.

No todas las aleaciones de iguales metales base tienen el mismo intervalo detemperaturas de forja. La tabla II da una idea de las principales temperaturas deforja. De la misma forma que la temperatura de recristalizado era de 1/3 de latemperatura de fusión del material, la temperatura de forja en caliente es alrededorde 2/3 de dicha temperatura de fusión. Luego, al calentar un metal para forjarlo, se

debe cuidar que su temperatura no sobrepase la temperatura superior de forja. En elcaso de aceros dulces y aceros aleados, por ejemplo, si se alcanzan temperaturaspor encima de 1200ºC, se llega a un color blanco, donde además saltan chispas de lasuperficie, y se dice que sequeman; luego el material sehace frágil. El esfuerzo necesariopara la deformación dependerádel la CQ y de la temperatura decalentamiento.

Tabla II. Rango de temperaturasde forja para distintos metales.

Dificultadde forja

Material T forja[°C]

Baja

Aleaciones base Al 400 – 550

Aleaciones base Mg 250 – 350

Aleaciones base Cu 600 – 900

Aceros al C y baja aleación 850 – 1150

Media

Aceros Inox martensíticos 1100 – 1250

Aceros Inox austeníticos 1100 – 1250

Aleaciones base Ti 700 – 950

Alta

Superaleaciones base Fe 1050 – 1180

Aleaciones base Mo 1150 – 1350

Superaleaciones base Ni 1050 – 1200

Aleaciones base W 1200 – 1300




Procedimiento de calentamiento

Como se ha indicado, el primer paso en una operación de forja en caliente es que lapieza, o la zona a forjar, alcance la temperatura de forja. Esta operación sedenomina calentamiento o caldeo . El calentamiento de una pieza puede hacerse entoda ella, o solamente en una parte, según que el trabajo de forja deba hacersesobre la totalidad de la pieza, o solamente sobre una parte de ella, como cuando seha de forjar el extremo de una barra.

En la figura 11 se observa el material recién forjado que se transformará enuna tijera similar a la de la figura 3. Si bien dicho material es de acero inoxidable, latemperatura ya es algo menor a1100ºC por el normal enfriamientodesde la operación de forja hastaque se obtuvo la fotografía.

Figura 11. Pieza forjada en calientey matriz de forja.

El calentamiento se efectúa en fraguas o bien en hornos de forja. En lasfraguas, el combustible es carbón vegetal o carbón de coque; en los hornos de forja,es hulla (carbón de piedra), o combustibles líquidos, tales como gasoil o el fuel-oil.

Fraguas

Se da el nombre de fragua a un hogar especialmente preparado para la forja. Lasfraguas pueden ser de dos tipos: fijas y portátiles.

Las fraguas fijas son mesas de obra, con su cara plana recubierta de ladrillosrefractarios y con una pequeña abertura por lo general posterior, llamada tobera, porla cual se hace entrar aire soplado a pequeña presión. Junto a la pared, y cubriendola tobera se dispone el combustible, que generalmente es carbón vegetal o coque demuy buena calidad. El aire soplado a través de la tobera, antaño por algún forzador

manual pero en la actualidad con forzadores eléctricos, aviva el fuego del carbónvegetal, lográndose una temperatura muy elevada. Este procedimiento es empleadodesde los tiempos más lejanos, y aún hoy día se utiliza parala forja de piezas pequeñas. Las fraguas portátiles (figura10) son más empleadas actualmente; constan de una mesade hierro con un reborde a su alrededor para que no caiga elcarbón, y con un agujero en el centro del tablero, por el quese sopla aire por medio de un forzador a menudo centrífugo(para mejorar el rendimiento) accionado por un pequeñomotor eléctrico. El carbón se coloca sobre la mesa, tapando

el agujero.Figura 12. Fragua fija.




Hornos de forja

Los hornos empleados para calentar piezas en forja son cámaras revestidasinteriormente mediante ladrillos o piezas refractarias, provistas de amplias puertaspara entrar y sacar las piezas. Estos hornos pueden ser fijos, de mampostería, o bienestar conformados por una armadurametálica exterior, dentro de la cual seconstruye la cámara de materialrefractario. En la figura 13 se observa unhorno continuo, en donde el calentamiento,por llama de gas + aire, se va dando amedida que avanza la pieza a través de el.

Figura 13. Horno continuo de forja.

Para forjar materiales delicados, cuyo intervalo de temperaturas de forja seamuy pequeño, se utilizan hornos calentados eléctricamente, en los cuales dichatemperatura puede regularse con gran precisión. De la misma forma, y en formasimilar a las formas de calentamiento para realizar temples localizados (también

denominados temple por inducción), existen bobinas que poseen una geometría queen definitiva rodean a la pieza a calentar de tal forma que cuando se establece ladiferencia de potencial entre los terminales de la bobina, el paso de corriente por lamisma induce líneas de campo que calientan el material al cual rodean, generando elcalentamiento deseado por medio de efecto Joule. Estos calentamientos se dan aalta velocidad, y el hecho de que las bobinas de calentamiento no estén refrigeradas,hace que sea de muy delicada operación.

4.- OPERACIONES DE FORJA

Para lograr por forja una pieza con algún grado de complejidad es necesario, por logeneral, hacer trabajos de distintas clases sobre el material de que se parte. A estasdistintas clases de trabajos es a lo que se llama operaciones de forja. Dentro de lasoperaciones de forja se observan las siguientes:

- Estirado : consiste en reducir la sección transversal de barras variando su formageométrica, o no, para conseguir alargamiento, en general en dirección paralela a lasfibras, lo que deriva en un incremento de las propiedades mecánicas en dichadirección. El estirado de una barra sin cambio de forma debe hacerse rotando labarra entre golpe y haciéndola avanzar. Si se elimina la rotación se produce elcambio de forma (sección rectangular). Se logra deformación plana (ancho

constante, variación despreciable) cuando las dimensiones de las estampas cumplen




la relación base / altura < 5. Cuando mayor sea b/a, la condición de deformaciónplana se verificará con más exactitud.

Figura 14. Operación de estirado.

- Recalcar : es el trabajo contrario al estirado, es decir hacer más corta y más gruesauna pieza o una parte de la misma. Se efectúa comprimiendo un bloque entre dosmatrices planas abiertas, provocando el flujo de metal en direcciones transversales.Si se trata de un cilindro, idealmente debiera transformarse en otro cilindro de mayordiámetro y menor altura. Sin embargo, la existencia de fricción entre lasherramientas conformantes y el metal dificulta el flujo en las áreas de contacto, porlo cual en los lugares más distantes el metal tiene mayor libertad para deformarse y

el resultado es un cilindro abarrilado. Si el bloque no tiene sección cilíndrica, el flujoserá mayor en aquella dirección transversal paralela a la cara más estrecha. Un cubofluirá en mayor medida paralelamente a suslados y en menor proporción hacia sus aristas,tendiendo a transformarse en un cilindro.

Figura 15. Operación de recalcado.

- Punzonar : se produce un agujero desplazando metal en sentido contrario al avancedel punzón, sin modificación geométrica.

Figura 16. Operación de punzonado.

- Agujereado : consiste también en abrir unagujero en una pieza, y dado a su geometría estrecha en el ancho, su contorno hade ensancharse.

Figura 17. Operación de agujereado.

- Cortar o tronzar : consiste en dividir una pieza en dos, separando el materialsobrante; se utilizan herramientas de arista cortantesincisiva.

Figura 18. Operación de corte o tronzado.




- Degollar o estrangular : similar al estirado y consiste en la reducción de una secciónlocalizada de una pieza.

Figura19. Operación de degollado o estrangulado.

- Curvado o plegado : consiste en el doblado de una pieza, o la obtención de doblecesen placas, con ángulo y radio prefijados.

Figura 20. Operación de doblado.

- Aplanado : se realiza mediante el empleo de matrices planas, con la finalidad decorregir defectos de alabeo en placas y discos.

- Canteado : para obtener formas sencillas provocando acumulación de metal en losextremos de barras.

- Retorcido : consiste en rotar un sector de una pieza con respecto a otro. Se partede una pieza forjada previamente, siendo el retorcido una operación final. Como porejemplo: torsión de los brazos de manivela de los cigüeñales.

Forja manual

Cuando la forja se hace a través de deformaciones mediante martillos de mano, se lellama forja manual . Este tipo de trabajo se hace generalmente para fabricarpequeñas piezas y en poca cantidad, y también en tareas de reparación ypreparación de herramientas.

Lo mismo en la forja manual que en la mecánica, durante el trabajo, la piezadebe estar apoyada en una sólida base, que no se deforme ni rompa con el continuoesfuerzo de los golpes a que se le somete. Este es una sólida pieza de acero llamadayunque . Para la forja manual, una forma muy utilizada es la que se observa en la

figura 21, llamado también bigornia . Para absorber los impactos a los que estánsometidos, se los suele apoyar en bases de madera, a altura conveniente, yreforzados con aros de hierro para evitar que se raje.

A menudo las superficies de los yunques sobrelos que se coloca la pieza están endurecidas, paraevitar que se deformen y queden marcadas por losgolpes.

Figura 21. Yunque, bigornia.




Las herramientas de forja son de forma muy variada, según las operaciones ylas costumbres del país. Hay dos tipos de herramientas que siempre se utilizan:

- Los martillos , que en la forja manual son los encargados de realizar el golpe. Suscabezas pueden tener diversas formas; hay que tener en cuenta que la eficacia decualquier martillo (es decir, en la potencia de sus golpes) interviene el momento dela fuerza, para lo cual es muy conveniente que la distancia entre el centro degravedad y el punto de sujeción sea grande (lo que equivale a que los mangos seanlargos), y también la velocidad, porque de ese modo la energía cinética es mayor.

- Las tenazas , que se utilizan para sostener y mover las piezas que se forjan sobre elyunque. Son tenazas de mango flexible y las bocas, como se observa en la figura 22,tienen distintas formas para que se adapten a las piezas que se manejan. Se sobreentiende que el forjado manual, al ser una actividad totalmente artesanal, exponeuna gran cantidad de herramientas especificas para cada tarea.

Figura 22. Diferentes bocas detenazas de forja.

Forjado mecánico

Para la forja de gran cantidad de piezas, o para piezas de gran tamaño, en lugar de

forjar manualmente se utilizan martillos mecánicos o prensas de forjar ya que suvelocidad y capacidad de deformación son mucho mayores; entonces se dice que eltrabajo es de forja mecánica . Tales máquinas son necesarias en la industria paraproducir grandes cantidades de piezas iguales en poco tiempo y de formaeconómica, y son también imprescindibles para forjar piezas grandes. Por otra parte,pequeñas máquinas de forjar tales como los martinetes, son muy útiles en talleresreducidos dedicados a la fabricación de piezas no muy grandes y en cantidadesreducidas.

Si bien siempre las operaciones de forja se realizan por medio de esfuerzos decompresión uniaxiales, a través de la forja mecánica hay un cabal comprensión del

mecanismo. En forja manual el esfuerzo es uniaxial de simple efecto, ya que elmartillo golpea sobre la bigornia, pero en forja mecánica a menudo los esfuerzos decompresión son uniaxiales pero de doble efecto, es decir que las matrices (tanto lasuperior como la inferior) se desplazan sobre el eje vertical, de tal forma deestablecer deformaciones simétricas a lo largo de la línea de partición de la pieza. Sinembargo, y en función de la complejidad del diseño, hay matrices que además dedeformar sobre el eje vertical, tienen la posibilidad de deformar sobre algún ejehorizontal; un ejemplo de esto puede verse en la fabricación de accesorios pararedes de agua, donde los T o los codos, si bien pueden ser fundidos, en caso de queestén muy solicitados mecánicamente pueden ser forjados.

Aunque las máquinas para forja son de formas muy distintas, puedenagruparse en los siguientes grupos:




- Máquinas de acción dinámica martillos mecánicos o martinetes (por choque oimpacto).

- Máquinas de acción estática prensas (por compresión lenta).

- Otras máquinas.

Martillos mecánicos o martinetes

Los martillos mecánicos son máquinas en las que una pesada pieza de acero,llamada masa , se deja caer desde una cierta altura sobre la pieza a forjar, la cualesta apoyada sobre el yunque . Entre los diferentes martillos o martinetes másutilizados se encuentran los siguientes:

- Martinetes de tabla: la maza y la estampa se elevan cuando la tabla es agarradapor dos cilindros; al soltarla, la maza cae por gravedad suministrando en el golpe laenergía potencial (m . g . h) perdida en la caída libre. Estos equipos pueden ir desde

mazas de 200 kg y alturas de caída de 80 cm hasta 3500 kg y 200 cm, pudiendoforjar piezas de hasta 50 kg de peso. El equipo se observa en la figura 23.

- Martinetes de vapor: se emplean para piezas entre 500 kg y 25 T. En la figura 24se ve un esquema del mismo, en el que la admisión de vapor por debajo, produce elascenso de la maza, mientras que por arriba agrega impulso a la caída. Se consiguenvelocidades de choque superiores a 10 m/s. Mientras la fuerza de impacto se fija enlos de tabla (para una altura de caída y una maza definida), en los de vapor puedevariarse fácilmente. La energía entregada en cada golpe es la energía cinética de lamasa, dado por W = m.v²/2g. La presión de vapor permite regular la velocidad de lamaza.

Figura 23. Martinete de tabla.

Figura 24. Martinete de vapor.




- Martillos de aire comprimido: representan una versión mejorada de martillos detabla, provocando una aceleración adicional de la maza por acción de airecomprimido.

- Martillos de contragolpe: en éstos, las dos estampas tienen movimientosimpulsadas por sus respectivas masas, y la pieza recibe el impacto desde dossuperficies opuestas.

Prensas

Las prensas de forja pueden ser mecánicas o hidráulicas , y esto dependerá de lacarga que puedan aplicar al final del recorrido. En estas prensas el material aconformar se coloca entre dos piezas sólidas (estampa y/o matriz) y es comprimidopara darle la forma deseada.

Las prensas de forjar se utilizan para la fabricación de grandes piezas,evitándose los inconvenientes que presentan los martillos de gran tamaño

(generalmente de difícil montaje y bajo rendimiento).- Prensas mecánicas: en la figura 25 se ve esquematizada una prensa de cigüeñal,en donde se definen los puntos muertos superior (PMS) e inferior (PMI) delrecorrido. En la figura 26, se observa prensa de poleas, conceptualmente cercana ala prensa de cigüeñal.

Figura 25. Prensa mecánica (en este caso decigüeñal), con sus recorridos PMS y PMI.

Figura 26. Prensa mecánicade poleas.




- Prensas hidráulicas: la prodigiosa fuerza que puede obtenerse con las prensashidráulicas se basa en el fenómeno siguiente: si se tienen dos cilindros de distintodiámetro llenos de líquido y unidos por un tubo, como en la figura 27, y cerrados pordos émbolos ajustados que pueden subir y bajar dentro de ellos, cuando el émbolopequeño se aprieta hacia abajo, haciendo presión contra el líquido, el émbolo delcilindro mayor sube con una fuerza mucho mayor que la que se hace en el émbolomenor. La fuerza en el émbolo grande es tantas veces mayor que la que se hace enel pequeño, cuantas veces mayor es su superficie. Si, por ejemplo, la superficie delémbolo grande es 100 veces mayor que la del pequeño, la fuerza que se hará en élserá también 100 veces mayor que la fuerzaaplicada; se ésta es de 20 kg., aquella será de2000 kg.

Figura 27. Esquema elemental delfuncionamiento de un equipo hidráulico.

En la figura 28 se esquematiza una prensa hidráulica, la cual está compuestapor una mesa o bancada de gran rigidez que a su vez actúa de porta estampainferior, y dos, cuatro o más barras verticales llamadas columnas. Estas sostienen uncabezal en el que se encuentra el cilindro mayor. Elémbolo del cilindro tiene un importante vástago, alque se encuentra unida una plataforma que constituyeel pisón (porta estampa superior) de la prensa. En lamesa y en el pisón se colocan las estampas, entre lascuales se sitúa el material a forjar. El fluido hidráulicoa presión entra en el cilindro por su parte superior,impulsada por bombas cuyos émbolos son losequivalentes del émbolo pequeño de la figura 27.

Figura 28. Esquema prensa hidráulica.

Otras máquinas

Se agrupan aquí las máquinas que por presentar características especiales convienesepararlas de los dos grupos anteriores pese a que son semejantes en algunosaspectos (recalcadoras horizontales, cilindros de forjar, forjadoras rotativas (figura




29), etc.).

Figura 29. Esquemas de dos tiposde forjadoras rotativas.

Matrices o estampas

Los útiles empleados para la forja de grandes series de piezas iguales se denominanestampas o matrices. Estas constan de dos bloques de acero muy resistentes, quetienen un hueco en una de sus caras (figura 30), de manera que al juntar los dos

bloques por esta cara quede entre ellos un hueco con la forma de la pieza que se hade forjar.

Una de las matrices se coloca unida a la maza del martillo, y la otra se fija alyunque. El material a forjar se sitúa en el hueco de la estampa inferior, la cual seencuentra sujeta a la mesa inferior y/o yunque, y es golpeado por la estampasuperior, unida al mazo, siendo así deformado en el hueco, tomando la forma de lapieza que se quiere lograr. En la figura 31 se observan tres momentos sucesivos delestampado de un bloque de sección rectangular convirtiéndolo en una pieza deforma alargada (rueda o polea).

Figura 30. Dos esquemasde matrices de forja.

Figura 31. Tres momentos sucesivos en una operación de estampado.




Las formas constructivas de las matrices son muy variadas pero sin embargohay algunas características generales básicas. Como se indicó, las matrices estánconstruidas sobre gruesos bloques de acero; en algunos casos especiales se empleanalgunas de fundición. Las bloques son de forma cilíndrica (figura 32) o rectangulares.En general, los bloques cilíndricos se emplean para pequeñas piezas y los

rectangulares para piezas de mayor tamaño,variando en éstos la relación entre la longitud y laanchura según la forma más o menos alargada de lapieza.

Figura 32. Estampa sobre un cilindro.

Como en cualquier operación en donde hay un desmoldado, se debencontemplar ángulos de salida para facilitar las operaciones antedichas. Estos ángulos

de salida serán función de las dimensiones de la pieza (en caso de piezas de bajoespesor prácticamente no se contempla) y delas aleaciones a forjar. En la tabla III seobservan datos típicos, en función de losmateriales, para dichos ángulos.

Tabla III. Angulos de salida para matrices.

Este concepto sobre los ángulos de salida indica intuitivamente la formacorrecta para obtener una determinada geometría. En la figura 33 se observan dospiezas geométricamente similares, siendo la de la izquierda la mas dificultosa paraforjar. Se sobreentiende que por suposición dentro de la matriz, definirándistintas líneas de partición.

Figura 33. Distintos modos de forja.

Las matrices están provistas de elementos para su sujeción en el mazo y en elyunque, denominados elementos de fijación, y de otros para que las dos matricescoincidan exactamente, llamados elementos de centrado, guías o posicionadores.Como elementos de fijación, la forma mas corriente es la ‘cola de milano’, que semecaniza en las caras exteriores de ambas estampas, tal como se observa en la

figura 34. La cola de milano de las matrices se acopla a la ranura de la misma formaque tienen la maza y el yunque de la máquina; el ajuste entre las partes es

Material a forjar Angulo[°]

Aleaciones base Al 0 – 2 Aleaciones base Mg 0 – 2Bronces – Latones 0 – 3 Aceros 5 – 7 Aceros inoxidables 5 – 8 Aleaciones base Ti 5 – 6




deslizante suave, y eso permite la inter cambiabilidad de distintas matrices para unmismo martillo, martinete o prensas. Otro sistema de centrado muy empleado paramatrices de tamaño no muy grande es por medio depitones y/o agujeros de guía, también denominado

“posicionado por espigas”; en la matriz inferior se colocan

dos o cuatro piezas que sobresalen en forma de pitones oespigas, y en la matriz superior hay unos agujeros quecoinciden con los pitones, y en los cuales se introducenéstos cuando se cierra la matriz.

Figura 34. Elementos de sujeción en una estampa (colade milano) y elementos de posicionamiento (pitones de

alineación).

Si bien las figuras anteriores fueron esquemáticas, en la figura 35 se observantres piezas forjadas, y en los tres casos la deformación principal esta otorgada sobreel eje vertical, pero hay deformaciones sobre un eje horizontal. Tal como se observaen la figura, en la parte inferior se observa el material de partida sobre la izquierda,la pieza terminada sobre la derecha, y el detalle de las matrices y los esfuerzos en laparte superior.

Figura 35. Tres ejemplos de piezas forjadas, con matrices esfuerzos combinados.

Rebabas o barbas

El material que se forja se calcula siempre con algún exceso, para que con todaseguridad llene por completo el hueco entre las estampas; por eso, al forjar, hay

siempre un sobrante que se extiende entre las estampas, formando las rebabas . Enla figura 36 se muestran distintas deformaciones, con la etapa previa de deformación




y la etapa final.

Figura 36. Distintas piezas, con diferentes rebabas; generalmente, a mayor grosorde rebaba, menor calidad en la operación.

Las estampas suelen tener detalles de reservorios de rebabas para permitir el

material excedente de la operación. En la figura 37 se observan distintos modos deresolver el tema.

Después de estampar las piezas, debe procederse al corte de las rebabas,operación que recibe el nombre de rebabado. La operación puede hacerse en frío,cuando se trata de piezas pequeñas y las rebabas son delgadas. En otros casos, secombina el trabajo en el taller de forja, para que el rebabado se hagainmediatamente después de la forja de las piezas,aprovechando la temperatura a que quedan las piezas. Eldesbarbado se hace con martinetes o con prensas rápidas,adaptadas a este trabajo.

Figura 37. Distintos detalles sobre estampas inferiores pararecoger rebabas.

Número de piezas a forjar

Dentro de las operaciones bajo forja mecánica, se presentan dos clase de trabajos decaracterísticas diferentes en función del número de piezas a forjar.

i.- Piezas únicas, o en series muy cortas: cuando son pocas, o una sola, las piezas deuna determinada forma que deben forjarse, no resulta económica la construcción deun herramental especial. En tales casos, la forja debe realizarse con las herramientasse forja manual (martillo, yunque, etc.); se trata, pues, de un trabajo que puedeconsiderarse artesanal. El tipo de técnica a emplear, los medios para el movimientodel material y el número de hombres que constituyen el equipo para la forja depiezas únicas o en pequeñas series está en relación directa con su tamaño. Para




piezas pequeñas (hasta 15 kg), basta generalmente con pequeños martillos de airecomprimido (hasta 300 kg de fuerza). El equipo de trabajo está formado por doshombres; el forjador, que maneja la pieza con tenazas, y el ayudante, que manda elmartinete. En algunas operaciones, con piezas de peso algo mayor (15-20 kg) serequiere a veces la participación de otro ayudante para el manejo de las

herramientas. Cuando las piezas son de tamaño grande, se debe recurrir al empleode grandes martillos de vapor o a prensas, disponer de una grúa y el equipo es de 3o 4 hombres, por lo menos.

ii.- Producción en masa: cuando se trata de forjar un número elevado de piezas de lamisma forma, se puede construir un herramental especial, ya que el coste de éstequeda compensado con el ahorro de trabajo humano. Los herramentales (tambiéndenominados utilajes) empleados se llaman estampas (o bien, matrices); al trabajomismo se le suele denominar estampado.

5.- CONDICIONES DE TRABAJOPara que las piezas estampadas resulten correctas, se deben cumplir las siguientescondiciones:

- Que el material forjado llene completamente la matriz.

- Que la matriz se cierre completamente, hasta llegar a tope sus caras de junta.

Sobreespesores necesarios para el mecanizado

En la mayoría de los casos, el trabajo de forja no produce piezas acabadas, sino que

es la primera fase en la construcción de una pieza. Generalmente, la fase siguientees el mecanizado con arranque de virutas (torneado, fresado, etc.). Comoconsecuencia, debe darse a la pieza forjada unas dimensiones algo superiores a lasque debe tener una vez terminada, en todas aquellas partes que deban sertrabajadas. Estos sobreespesores varían según el tamaño de la pieza, y la mayor omenor precisión que puede lograrse en la forja de la misma.

Para piezas sencillas, tanto en la forja manual como en la forja con máquina,los sobredimensionados que deben darse son aproximadamente los siguientes:

para piezas pequeñas, unos 3 mm de sobre espesor en las superficies a mecanizar.

para piezas medianas, de 5 a 10 mm en todas las superficies a mecanizar. para piezas grandes, de 25 a 30 mm en todas las superficies a mecanizar.




Tolerancias en las superficies de piezas forjadas

Las piezas pueden fabricarse con una precisión de mediana exactitud, mas allá deque esta precisión dependerá del procedimiento de fabricación, del herramentalutilizado, de las formas y dimensiones de la pieza y del tipo de material. Por lo tantose debe tener una idea de las posibilidades que cada sistema de trabajo ofrece encuanto a exactitud de medidas de las piezas obtenidas y la rugosidad de lassuperficies trabajadas.

En la forja, la precisión de medidas que pueden alcanzarse no es muy grandey tampoco es grande la perfección del acabado de la superficie. Aunque en laactualidad se ha avanzado mucho en este aspecto, empleando matrices de granprecisión y máquinas de forjar muy cuidadosas, si no se tiene la seguridad de que lapieza va a ser forjada con tales medios, no puede preverse una gran precisión demedidas. Las tolerancias que pueden lograrse en las piezas forjadas, dependen deltamaño de las piezas. Como orientación pueden tomarse las siguientes tolerancias:

Piezas pequeñas = - 5 % a + 20 %Piezas medianas = - 3 % a + 5 %

Piezas grandes = ± 2,5 %

Deformación en compresión

La operación más simple sería comprimir un cilindro entre dos estampas planas yparalelas. Suponiendo que no hay fricción entre las bases del cilindro y las caras dela estampa, la deformación será homogénea.

La carga uniaxial para obtener flujo plástico será:P = σ0 . A (1)

donde σ0: límite elástico del metal

A: área de la sección transversal.

La presión aplicada (p) resulta:

p = P / A (2)

Por constancia de volumen:

A0 . h0 = A . h

donde A0 : área inicial = π . d0² / 4

h0 : altura inicial

A : área final

h : altura final. Luego, reemplazando

A = (A0 . h0) / h y P = σ0 . A en (2)

p = (σ0 . A ) . h / (A0 . h0) = (4 . σ0 . A . h ) / (π . d0² . h0)




Debido a la fricción entre el metal y el herramental, la deformación deja deser homogénea debido a que el metal adyacente a las caras de contacto no sedeforma, o bien se deforma menos que el resto. Estas zonas, rayadas en la figura38, se denominan conos de fricción, y el flujo del metal se desarrolla más librementecuando más lejos se encuentre de ellos. Este flujo de metal resulta en un

abarrilamiento. Se nota que si en lugar de deformar por compresión a un cilindro secomprime un cubo, las zonas no deformadas resultan pirámides.

Figura 38. Conos de fricción a desarrollarse en una pieza que se comprime.

En la misma figura, si los dos cilindros tienen igual diámetro, el más bajorequerirá mayor carga para ser deformado el mismo porcentaje, debido a que laregión no deformada es proporcionalmente mayor. Análogamente, entre dos cilindrosde la misma altura pero con distintos diámetros, el más grueso necesitará mayorpresión medía para ser deformado el mismo porcentaje, debido a que sus superficiesde contacto son mayores. Es evidente que la relación entre h (altura) y d (diámetro),es decir la relación L/D, debe influir sobre la presión necesaria cuando existerozamiento. Cook y Larke ensayaron cilindros variando la rugosidad superficial de lascaras en contacto y las relaciones diámetro-altura, obteniendo curvas p-ε del tipo delas que pueden observarse en la figura 39.

Figura 39. Ensayos de Cook & Larke, ≠ terminaciones superficiales, ≠ alturas h

(manteniendo d constante) y ≠ diámetros d (manteniendo h constante).



UNIDAD 2.3.- CONFORMADO

2.3.1.- Introducción, 2.3.2.- Estampado, 2.3.3.- Punzonado y corte, 2.3.4.- Doblado ycurvado, 2.3.5. Arrollado, bordonado, cercado, perfilado y engrapado, 2.3.6.- Embutido,estirado y extrusión.


El problema concerniente a la producción de elementos de chapa de espesor delgadose puede considerar como uno de los mas importantes en el campo industrial de laproducción en serie. En función del notable desarrollo de las diferentes formas deconformado, la producción mecánica experimenta continuamente la urgente demandade mayores cantidades y mejores producciones; demás esta decir que un elemento dechapa estampada se utiliza en todo tipo de artículo, desde el conformado de unacarrocería de automóvil hasta la carcasa soporte de una calculadora portátil.

El elemento de chapa cuenta con la ventaja de ser un elemento liviano, de

buenas propiedades mecánicas (otorgadas por el propio diseño mas que por lascaracterísticas del material) y con un altísimo grado de estabilidad dimensional.Otorgando la posibilidad de una producción rápida y en serie, el costo de la matriz esrecuperado rápidamente.

Esta comprobado que un elemento de chapa conformada de alto diseñosustituye, o al menos reduce, un gran número de uniones de piezas entre si, ya seanfijadas mecánicamente (tornillos, bulones, roblones, remaches, etc.) o unidas porcordones de soldadura.

Se define como chapa a cualquier tipo de material laminado, por lo tanto depoco espesor, el cual puede ser suministrado en forma de lámina, tira o cinta. En el

curso se desestimará la extracción manual, a partir de la chapa, de las geometrías. Sóloen casos excepcionales y para pequeñas producciones se recurrirá a este tipo deoperación.

2.3.2.- ESTAMPADO

Se define con el término 'estampado' al conjunto de operaciones con las cuales, sinproducir virutas, se somete a una chapa plana a una o mas transformaciones, con el finde obtener una geometría, sea plana y/o hueca. La realización práctica de estasoperaciones se logra mediante dispositivos especiales llamados matrices o estampas,

aplicados a las chapas mediante máquinas denominadas comúnmente 'prensas'.Geometrías complicadas o irregulares, pero de espesor constante, pueden obtenersemediante una sucesión de operaciones de estampado. Estas operaciones generalmentese dividen en: a.- cortado; b.- doblado y/o curvado; c.- embutido.

Todas la operaciones se hacen en frío, pero en algunas operaciones de embutirse pueden llegar a hacer calentamientos de recristalización para permitir la deformaciónnecesaria.

En el caso de geometrías que puedan ser admitidas en el ancho de una cinta, elavance (de un paso para cada golpe de prensa) podrá ser manual o mecánico; en casode ser automático, y debido a que generalmente se trabajan con grandes

producciones, la cinta es alimentada mediante bobinas o rollos especiales. En algunoscasos, cuando el corte es de precisión, antes de la operación la cinta es aplanada y

Tecnología I - U2.3 - Conformado - 1



enderezada por medio de dispositivos de rodillos tales como los utilizados en elenderezado del alambre para clavos.

Las operaciones mas corrientes son: Corte, Doblado, Curvado y Embutido. Paraobtener una pieza terminada, se trabaja con una o con la combinación de dichasoperaciones. Las combinaciones mas usuales son: Corte/Doblado, Corte/Curvado yCorte/Embutido.

El ciclo de estampado, que es la sucesión ordenada de las operacionespertinentes, dependerá de los siguientes factores:1.- de la forma de la pieza a obtener.2.- de las dimensiones de la pieza a obtener.3.- de las características del material de la chapa.

La forma de la pieza a obtener impone un cierto número de operacionesdirectamente proporcional a la complejidad de la forma misma. Cuanto mas simple seala forma de una pieza, menor serán las operaciones necesarias. La fabricación de una

simple olla constará del corte de la chapa, de un posterior proceso de embutido y unaúltima operación de bordonado del borde superior.

Las dimensiones de la pieza influyen sobre el número de operaciones necesarias;sobre el mismo caso de la olla, la profundidad de la misma determinará la cantidad deoperaciones de embutir necesarias.

Por último, la calidad del material de la chapa es lógico que influya sobre elnúmero de operaciones. Un material con una alta capacidad de deformación requerirámenos pasos que otro que admita menor deformación.

La elección de la máquina con la que debe efectuarse un determinado trabajo se

hará de acuerdo a la forma y dimensiones de la pieza a producir. Para grandes piezasse requerirán grandes matrices, con un elevado costo. Gran parte de las operacionesde cortar, doblar y embutir, se ejecutan por medio de matrices montadas en máquinasde movimiento rectilíneo alternativo; este es el principio de funcionamiento de lasprensas.

La condiciones térmicas son fundamentales sobre la operación de la chapa. Engeneral, solo se trabaja en caliente en aquellas piezas que sufren grandesdeformaciones. Lógicamente, también influye el espesor de la chapa y si esta es mayorque 7 mm generalmente la operación será en caliente.

2.3.3.- PUNZONADO - CORTE

Esta es una operación con la cual, mediante herramientas aptas para el corte, sesepara una parte metálica de otra obteniéndose instantáneamente la forma deseada.Este proceso, que es un estampado propiamente dicho, consta de un punzón quepresiona la chapa interpuesta entre este y la matriz, siendo la chapa deformada ycortada. Esto se observa en la figura 1 y es por esta deformación plástica violenta quesobre los bordes aparecen las típicas rebabas. Considerando la relación entre el espesor'e' y el diámetro 'd' del punzón, se llega a que el espesor máximo será 1,2 veces el 'd'del punzón (emax = 1,2 d), o del de menor diámetro en caso de ser una matriz de mas

de un punzón.




Figura 1. Chapa sometida a unaoperación de corte. Sobre la chapa,deformaciones plásticas (rebabas).

Lógicamente, las geometrías obtenidas únicamente dependerán del punzón y dela matriz. En el caso que el punzón presente un relieve sobre su superficie de ataque ya su vez la pieza cortada sea comprimida desde la superficie inferior, siendo estacompresión efectuada por una contramatriz con otro tipo de relieve, la operación sedenomina ”acuñado”, y es el tipo de operación utilizado en la fabricación de monedas,botones metálicos, etc.

Estampa de corte

El corte de la chapa se realiza mediante la utilización de 'matrices de corte'. Esta, talcomo se ve en la figura 2, consta de dos partes fundamentales: el punzón y la matriz.El filo de corte lo constituye el perímetro exterior del punzón y el perímetro interior delagujero de la matriz. Se observa un bloque que actúa como guía de punzón y de dosprensa chapas que evitan desplazamientos durante el corte. Debido a la violencia de la

operación, es normal que se desgasten tantola matriz como el punzón; estos serándiseñados de tal forma que admitansucesivos reafilados antes de perder laforma.

Figura 2. Esquema elemental de la estampapara una operación de corte.

Un aspecto fundamental será el juego entre punzón de ∅ ‘d` y la matriz de ∅ `D`. En la figura 3 se observa que el mismo será función del espesor de la chapa acortar y de las propiedades de lachapa. Cuanto mayor sea elespesor y las propiedadesmecánicas, mayor será el juego.

Figura 3. Juego entre diámetrosde punzón y matriz.




La generación de piezas defectuosas (deformaciones y/o agrietamientos) puedeestar originado en múltiples causas, ya sea en forma individual o combinada; algunas

de ellas son: materiales de herramental de baja calidad, técnica constructiva delherramental incorrecta, juegos entre punzón y matriz incorrectos, superficie inadecuadade la chapa a cortar, presencia de granos endurecidos sobre la chapa, presencia decuerpos extraños entre el punzón y matriz, etc. De todas formas, una vez establecidoun correcto funcionamiento, la cantidad de ciclos obtenibles entre reafilados varía entre20.000 y 30.000; teniendo en cuenta que una matriz puede ser rectificada alrededor de40 veces (en función del diseño del matricero), una buena matriz de corte podrá sercapaz de cortar 1.106 de piezas, antes de que sea desechada.

Disposición de la figura sobre la chapa

Los factores que determinan las dimensiones de una matriz son el tamaño y la formade la pieza. Frecuentemente esta se presenta en forma irregular y si se la ubica enforma transversal, o longitudinal, al centro de la matriz, se origina una notable pérdidade espacio, y por ende una pérdida de material. Por lo tanto, se deberá estudiar laforma de acomodar las piezas de forma que una vez producido el corte, el recorte seamínimo; esto se observa en la figura 4, en donde inclinando la pieza se ahorra hasta un25% de la superficie de partida.

Figura 4. Modos de ubicar una geometría, con el fin de minimizar el recorte.

Un aspecto fundamental es que de cualquier forma que se ubiquen las piezas, ladistancia entre contornos de corte y la distancia al borde de la chapa original no serámenor que el espesor de la chapa; esto significa que si se corta una chapa de 1 mm deespesor, la distancia entre contornos de piezas al menos será de 1 mm. Esto se justifica

ya que si la distancia es muy pequeña, las deformaciones sobre un contorno incidiránsobre el siguiente corte.

Tal como se observa en la figura 5, se puede optar por disponer de una cintacon el ancho de la pieza de diseño; por otro lado, para qué una acería fabrique unancho de cinta particular, se debe justificar en la cantidad de toneladas pedidas. En laparte inferior de la figura, un punzón que corta los extremos de la pieza, siendo elancho el de la cinta.

Figura 5. Ancho de cintacontemplando dimensión final.




Es elemental que si se disponen de varias piezas (figura 6), se opte de talmanera que disminuyan los tiempos de máquina.

Figura 6. Disposición de geometrías para disminuir costos.

Las maquinas utilizadas para estas operaciones suelen denominarse balancines(figura 7). Los hay de distintos tipos y en función de su capacidad se fabrican lasestampas de corte. Esto significa que si un balancíntiene una potencia que puede cortar hasta 1.000mm lineales de una chapa de acero de 0,6 mm deespesor, el perímetro de corte de las estampas queoperen en dicho balancín tendrán aproximadamentedicho valor. En la figura 8 se observa el esquema deuna estampa real.

Figura 7. Balancín para corte.

Figura 8. Detalle de estampa de corte.

En el caso de que la pieza a obtener tenga agujeros o ventanas, esto se logramediante una operación simultánea en sucesión. Tal como se observa en la figuras 9,

10 y 11, las líneas continuas indican el accionamiento de distintos punzones en elmismo golpe. En el caso de la figura 9, golpean simultáneamente 6 punzones: los 5 dela izquierda generan el agujero central y los agujeros pequeños sobre el ala de laarandela; luego la cinta avanza lo que se sería la mitad de lo observado y el punzón dela derecha realiza el corte final. En algunoscasos, y para generar una referencia deposicionado sobre la chapa, se recurre a uncorte auxiliar posicionador; esto se observa enla figura 4.

Figura 9. Disposición del corte de una arandelacon 6 punzones (4 agujeros sobre el ala).




Figura 10. Cortes sucesivos y simultáneos de partespara motores eléctricos.

Figura 11. Cortes sucesivos y simultáneos.11 punzones: 7 punzones en el 1º corte,

3 punzones en el 2º y el corte final.

Tal como se aclaró, por ejemplo en la figura 11, la idea es que la totalidad deperímetro de corte de los 11 punzones que impactan al mismo tiempo, sean del ordende la capacidad de la máquina. Se debe notar que con una única estampa se obtienentres piezas diferentes.

En el siguiente análisis se aprecia la comparación de costos para realizar unamisma pieza con 5 estampas simples o con una única sucesiva y simultánea. Tal comose presupone, tanto el costo del herramental como el de la chapa a cortar, es menor enlas estampas simples, pero la diferencia está en la productividad. Luego de un dadonúmero de piezas/mes, será conveniente una sucesiva y simultanea (figura 12).

Estampas Simples Estampa sucesiva y simultánea

5 Procesos 1 ProcesoCada EstampaTotal$ / Mes (24 meses)

5.000 $25.000 $

1.050 $ / mes

75.000 $75.000 $

3.125 $ / mesCosto Material 0,20 $ / pieza 0,25 $ / piezaProductividad Alquiler MáquinaCosto de estampado

10 piezas / minuto120 $ / hora

0,20 $ / pieza

100 piezas / minuto120 $ / hora

0,02 $ / piezaCosto total 0,40 $ / pieza 0,27 $ / pieza Costo total / mes 0,40 $ / p . X + 1.050 $ 0,27 $ /p . X + 3.125 $

0,40$/p.X+25.000$=0,27$/p.X+75.000$ 0,40$/p.X+1.050$=0,27$/p.X+3.125$X.(0,40$/p-0,27$/p)=75.000$-25.000$ X.(0,40$/p-0,27$/p)=3.125$-1.050$

X.0,13$/p=50.000$ X.0,13$/p=2.0750$X~384.000piezas X~16.000piezas/mes

Figura 12. Análisis de costo paradistintos tipos de estampas.




Estampa de corte con punzones de goma

Este tipo de estampas de corte se utiliza cuando se trabaja con diseños que semodifican continuamente. Si bien tienen una menor vida y una menor calidad sobre lapieza obtenida, son sensiblemente mas económicas. Este tipo de matrices se utilizapara cortar materiales de poca dureza, ya sea aceros de bajo C, aleaciones ligeras,cobre, etc. Como se observa en la figura 13, el punzón consta de una almohadilla degoma, constituido por varias capas de goma con una dada composición; la matrizconsistirá en una chapa calada, de por lo menos 6 mm de espesor, la que con suscontornos definirá la geometría de lapieza obtenida. La operación consisteen el avance del punzón de goma, quepreviamente a ajustar a la chapa acortar contra la matriz, se produce elcorte a través de los filos de la misma.

Figura 13. Estampa, con punzón degoma, para cortar Al.

Se han conseguido cortes con buenas terminaciones, con bajas rebabas; paratener una idea, son perfectamente posibles cortes sobre chapas de acero de 1,5 mm deespesor y 130 mm de perímetro de corte.

2.3.4.- DOBLADO Y CURVADO

Estas operaciones son sumamente importantes ya que generalmente, previo corte de lachapa, la misma se somete a una o mas de estas operaciones para dejar terminada lapieza. Un aspecto fundamental en estas operaciones es que no haya una disminuciónen el espesor de la chapa, ya que si esto ocurre se modificará alguna otra magnitud.Para que no ocurran este tipo de variaciones, será preciso un cabal diseño de laestampa, aparte de tener un perfecto ajuste en la carrera del punzón.

Doblado

Esta simple operación se consigue mediante la aplicación de una fuerza otorgada poruna máquina de doblar, usualmente llamadas plegadora. En este tipo de operación sedeberá tener en cuenta: i.- el radio de curvatura y ii.- las propiedades del material adoblar. Se observa a simple vista que se deberán evitar los cantos vivos, y los radios decurvatura interiores aconsejados son:

1 a 2 veces el espesor → para materiales de alta deformación3 a 4 veces el espesor → para materiales de baja deformación

Se debe tener en cuenta que una vez concluida la acción, el material tiende arecuperar parte de esta deformación, por la propia característica de elasticidad del

mismo; es por este motivo, y generalmente por tanteo, que se fija un ángulo de




doblado mas agudo al deseado, ya que al recuperar, la pieza queda con la geometríade diseño.

Una operación de doblado sencilla se observa en la figura 14, en donde la chapase comporta como un sólido cargado en el centro y apoyado en los extremos. La razónde la complejidad del ajusta de estos herramentales es que si la carrera descendentesobrepasa determinado valor, puede haber una interferencia que dañe el escote de lamaquina (parte superior). Por otro lado, en operaciones de doblado y curvado laaplicación de la fuerza es progresiva, típicamente como sucede en las prensas. En lafigura 15 se observa la versatilidad de un buendiseño entre punzón y matriz ya que es posibleobtener diversas geometrías, en este caso condistintos punzones pero con una única matriz.

Figura 14. Sencilla operación de doblado.

Figura 15. Diferentesformas, obtenidas con ≠

punzones y única matriz.

Las formas deseadas generalmente no se pueden obtener en una sola

operación, por lo tanto la operación se divide en fases, siendo esta la menor posible. Enla figura 16 se observa distintas operaciones de doblado.

Figura 16. Operaciones de doblado.

Desde el punto de vista constructivo de las estampas, naturalmente las hay de

todo tipo. En la figura 17 se observa esquemáticamente una estampa de doblado; unaspecto a tener en cuenta son unos postizos posicionadores para evitar que la pieza sedesplace durante la operación.

Figura 17. Esquema elemental de unaestampa de doblado.




Los matriceros, verdaderos artesanos tecnológicos, suelen tener ideas ingeniosaspara atenuar los típicos defectos sobre las chapas deformadas. En las figuras 18 y 19se observan artilugios para minimizar esfuerzos. En la figura 18 se observa que hay unpunzón de acción independiente que genera una primera deformación, mientras queluego baja el resto del punzón y produce la deformación final. En la figura 19, un

detalle de estampa con resolución compleja, con matrices móviles que se desplazan amedida que va ocurriendo la deformación.

Figura 18. Estampa de dobladoincorrecta (arriba) y mejorada (abajo).

Figura 19. Detalle convenientepara estampa de doblado útilpara determinada deformación.

En la figura 20 se observa a unadobladora / plegadora de última generación.

Figura 20. Dobladora / plegadora.

Doblado con matriz de goma

Este tipo de estampa, utilizando una matriz de goma, tiene una notable ventaja ya queal tener una de sus ser partes deformables, la misma es capaz de absorber los defectospropios que tengan las chapas (variaciones de espesor, variaciones de las propiedades

mecánicas de las chapas, etc.). Las gomas utilizadas son a base de PU, y tienen buenaspropiedades frente al desgaste por abrasión, al ataque químico de los lubricantes




(utilizado para disminuir la fricción entre punzón y chapa) y frente a la rotura portracción y compresión. En la figura 21 se observa claramente las diferentes fases paraobtener una determinada forma; nótese que la propia matriz de goma actúa comoelemento expulsor de la pieza terminada.

En las operaciones mas complicadas, cuandoes preciso que la chapa tome la forma exacta delpunzón, es necesario agregar insertos de acero detal forma que reproduzca aproximadamente laforma del punzón. En la figura 22 se observa elpunzón, al contenedor que fija la placa de gomapoliuretánica por sobre la cual irá la chapa adeformar; por debajo de la placa de goma, unespacio vacío con la presencia de los insertosmetálicos que permitirán un doblado acorde alpunzón.

Figura 21. Estampa con matriz de goma paraobtener una forma en U.

Figura 22. Estampa con matriz de PU con insertos d

una chapa de longitud c y espesor e, siendo la

e acero.

Concepto de Fibra, o Línea, Neutra

Para obtener una forma dada, es necesario cortar previamente su desarrollo. Eldesarrollo de la pieza se hará sobre una línea denominada neutra, la cual no sufreesfuerzos de tracción (para las curvaturas exteriores) ni esfuerzos de compresión (enlas curvaturas interiores). Esta línea no se encuentra exactamente en la mitad delespesor, sino que su posición se modifica de acuerdo a las propiedades de la chapa.Para hacer un buen desarrollo es necesario conocer esa posición y esto se logramediante un simple ensayo.

El ensayo consta en doblarprobeta extraída de la chapa, cinta o tira original. Luego de la operación de doblado seobtienen las magnitudes a, b y r, tal como se observa en la figura 23, siendo “y” laposición de la línea neutra.




c = a+b+π(r+y)/2 ⇒

2c = 2a+2b+π.r+π.y⇒

πy = 2c-2a-2b-πr ⇒

y = 2(c-a-b)/π-r

Figura 23. Análisis para determinar la línea neutra.

Experimentalmente se demostró que para chapas que no superan 1 mm deespesor, la línea neutra se halla en la mitad del espesor. Cuando el espesor superadicho valor, dicha línea se encuentra aproximadamente a 1/3 de la curva interior.

Curvado

Los mismos conceptos para el doblado son considerados para definir las operaciones decurvado; sin embargo, los radios de acuerdo en las operaciones de curvado son muchomayores. Mediante el empleo de herramentales especiales se pueden curvar todo tipode perfiles obteniéndose distintos tipos de piezas. Una de los principales ejemplos decurvado es el de los tubos. Mas allá de su buen comportamiento estructural, cuando lostubos actúan como ductos, la deformación no debe estrangular la sección interior yaque generará alta perdida de carga en la transmisión del fluido. En la figura 24 se

observan diferentes perfiles curvados.

Figura 24. Diferentes perfiles curvados.

Dobladoras de caños las hay de todo tipo, desdemanuales (figura 25) hasta mecánicas (figura 26).

Figura 25. Dobladoramanual de caños.

Figura 26. Dobladoramecánica de caños.




2.3.5.- ARROLLADO, BORDONADO, CERCADO, PERFILADO Y ENGRAPADO

Arrollado

Esta operación, similar a la de doblado, consiste en arrollar el borde de una chapaplana generando un borde romo; este arrollado puede ser rectilíneo o curvado. El

diámetro mínimo del ojal será función del espesor de la chapa y de las propiedadesmecánicas de la chapa; como primera aproximación se puede considerar que el ∅ delojal será 1,5 veces el espesor. Si se desea tener una mayor seguridad sobre laoperación → ∅ = 2e.

En las figura 27 se observan distintas estampas de arrollado y como se ve, ladeformación ocurre ya sea sobre el punzón o sobre la matriz, ya que el punzónúnicamente impulsa a la chapa contra esta. También se observa que para facilitar laoperación a menudo la chapa debe tener un leve curvado previo; es usual que estadeformación sea la fase final de un previo corte y/o corte/doblado.

Figura 27. Distintas estampas para arrollado.

Si el espesor de la chapa supera 1 mm, tal como en las bisagras, la operación serealiza en condiciones especiales, con estampas reforzadas y en operacionestotalmente aisladas.

Bordonado

Esta operación consiste en deformar, con un determinado perfil, la superficie de unadada chapa. Generalmente aplicado a recipientes de chapa sobre el cuerpo, la idea esaumentar la resistencia del mismo sin incrementar la cantidad de material.Generalmente se realizan en equipos de movimiento rotativo o bien medianteutilización tradicional de estampa + balancín (lógicamente en este caso la deformaciónse logrará sobre la chapa plana). Los equipos rotativos utilizanrodillos tal como se ven en la figura 28; estos son intercambiables,permitiendo gran variedad de perfiles. De la misma forma que en elarrollado, las deformaciones serán directamente proporcionales alespesor y propiedades de la chapa.

Figura 28. Cilindros para bordonar.




En recipientes de grandes dimensiones (tambores de 200 litros p.e.), se utilizanmáquinas de bordonear; en recipientes chicos (figura 29), con espesores por debajo de0,6 mm, la deformación se obtiene con un sistema deestampa tradicional.

dillos.

Figura 29. Tradicional juego infantil con latas bordonadas.

Cercado

Esta operación consiste en aplicar un aro (o cerco) de alambre sobre el borde de unrecipiente con el objeto de reforzarlo. La calibración de una estampa que obtenga unadeformación de la chapa revistiendo un alambre es sumamente complicada, y por lotanto este tipo de operaciones solo se justifica en algunos pocos casos.

Perfilado

Los perfiles de chapa, en diversas formas y materiales (figura 30), conforman unaenorme gama de prestaciones, tales como guías para cristales, llantas para ruedas debicicleta, molduras de distintos tipos, etc. Este tipo de semielaborados, en caso de serde consumo masivo, suelen ser extrudados, tanto en frío como en caliente. Sin

embargo, el costo de una matriz deextrusión es a menudo inaccesible y por lo

tanto, para partidas menores, se debeoptar por técnicas de perfilado por ro

Figura 30. Perfiles semielaborados

La operación se funda en la deformación gradual y

sucesiva de una tira de chapa hasta convertirla en un perfilcon la forma deseada (figura 31). Dependiendo el número depares de rodillos respecto de la deformación final,generalmente se pueden perfilar tiras desde 0,4 mm hasta 3mm de espesor.

Figura 31. Deformación progresiva para perfilar.

En la figura 32 se observa el perfilado de un perfil complejo, y nótese que los

bordes están arrollados sin la técnica usual. Si bien los rodillos no son complejos de




mecanizar, se debe tener en cuenta que a menudo se necesitan de un gran número deoperaciones para alcanzar el perfil de diseño.

Figura 32. Perfilado en 8 etapas para obtener forma final.

Las ventajas aportadas por este tipo de técnica de deformación son:

a.- Mínimos desperdicios de material.

b.- Aumento de la resistencia, en función de la deformación asistida.

c.- Rapidez en la producción.

d.- Simplicidad constructiva de los rodillos, ejecutados en el torno.

e.- Empleo de mano de obra poco calificada.

Engrapado

Esta operación es un doblado conjunto de los bordes de dos chapas, de forma que seestablezca una unión hermética entre ellas. La utilización mas usual es la obtención delatas, tanto de conservas como de bebidas, dondees fundamental la estanqueidad del recipiente(figura 33).

Figura 33. Detalle de engrape entre tapa y cuerpo,además de troquel en tapa y oreja de apertura.

Previa a la deformación, lógicamente se deben preparar a las superficies adeformar. En la figura 34 se observa la sección del recipiente cilíndrico, con sucorrespondiente tapa a medida, antes de la operación de engrapado y se ven las fasesde deformación. Como se ve, en la primera etapa se obtiene una primera vuelta sobreel borde de la tapa, a fin de adherirlo a la corona circular del cuerpo; en la segundaetapa, el conjunto se deforma hacia abajo y en la última etapa se produce elaplastamiento final, de forma de establecer una junta totalmente estanca. Los rodillos,de algún modo similares a los de perfilado, se montan sobre máquinas de engrapar.Como se ve, la geometría del borde de las chapas no influyen sobre los rodillos deengrapar; esto significa que no hay restricciones sobre las mismas. Por último, lasoperaciones de engrapado pueden realizarse en forma externa o interna.




Figura 34. Operación de engrapado sobre un recipiente de hojalata; disposiciónoriginal de las partes y distintos rodillos de engrapado.

2.3.6.- EMBUTIDO, ESTIRADO Y EXTRUSION

Estas operaciones se realizan cuando la deformación sobre la chapa se basa sobre uncuerpo hueco; las deformaciones se logran en una o mas pasadas. En las operacionesde embutido no hay una sustancial variación del espesor entre el fondo y la pared de la

pieza, mientras que si ocurre en operaciones de estirado, el que consiste en disminuirun espesor mediante sucesivas deformaciones; de todas formas, los procesos deestirado que se realizan sobre las paredes de la pieza, se realizan a partir de un previoembutido. Por último, una operación de extruido se basa en una fuerte compresión yuna posterior remoción del material alrededor del punzón.

Relación L / D

La relación longitud (L) versus el diámetro (D) dará una idea cuan profunda será lapieza a deformar. Es intuitivo que piezas con grandes L/D serán complejas dedeformar, mientras que otras con L/D < 1, se las suele obtener con una únicadeformación.

Embutido

Esta operación se realiza para obtener una pieza hueca a partir de la deformación deun disco para obtener un recipiente cilíndrico, por lo que el fondo del disco no semodifica (el espesor es constante) y la idea es que la modificación del espesor de lasparedes sea mínimo y entonces el juego entre punzón y matriz será apenas menor queel espesor de la chapa. En la figura 35 se observa el procedimiento elemental, que sebasa en la deformación de un disco metálico, mediante la acción de un punzón contra

una matriz. El punzón comprime al material contra la matriz, y esto impide la formaciónde pliegues sobre las paredes de lapieza deformada.

Figura 35. Principio de embutido,

con las deformaciones generadaspor líneas de flujo.




Sin embargo, es sumamente complicado eliminar estos pliegues (debido a laslíneas de flujo) y es por este y varios otros motivos que una estampa de embutir llevamuchas horas de trabajo hasta que la misma este perfectamente calibrada. Además,para evitar esta formación de pliegues las estampas llevan dispositivos, generalmenterodeando al punzón, denominados 'prensachapas'.

Un aspecto fundamental esta en los bordes de punzón y matriz; a diferencia delas estampas de corte, ambos bordes son redondeados y esto es comprensible ya quede lo contrario desgarraría la chapa, inutilizando la pieza.

Relación de embutido

Lógicamente, una operación de embutido dependerá estrechamente de lascaracterísticas del material a deformar. El material debe ser sumamente dúctil, con unaalta capacidad de deformación; en caso de tener un material de poca ductilidad, apartede tener un mayor desgaste sobre la estampa, la pieza tendrá presencia de fisuras,

grietas y aún rajaduras. En cierta forma, el grado de deformación de un materialdefinirá la cantidad de pasos necesarios para obtener la deformación.

No es tarea fácil establecer con exactitud el límite de la profundidad a alcanzar en unaúnica pasada. Teniendo como variables la relación L/D, es usual que en piezaspequeñas la máxima profundidad será del orden de la mitad del diámetro de partida. Silas profundidades son mayores, serán necesarias tantas operaciones como laprofundidad lo sea del diámetro. El número 'n' de operaciones para realizar unembutido se expresa por:

n = (L/D) / ∈

donde ∈ → 1/2 para piezas pequeñas y 1/3 para piezas grandes.

En la práctica significa que si se parte de un disco de 50 mm de diámetro y 150mm de altura, entonces el número de etapas de deformación “n” = 3 / 2 = 1,5 ⇒ serealizará en dos etapas.

Metalúrgicamente hay un número de operaciones máximo; esto se debe a que elmaterial a medida que se deforma, se va endureciendo. Esto, que es beneficioso yaque aumenta las propiedades mecánicas, llega a un valor que no admite masdeformación y se rompe, descalificando la pieza. La solución pasa por un tratamiento

térmico de recristalizado, con el que los granos totalmente deformados se regenerannuevamente, restituyendo las propiedades mecánicas del material original, es decir conla mayor deformabilidad admisible.

A base de numerosas pruebas, la relación entre diámetro y profundidad, paraser deformado en una sola fase depende de:

a.- De la forma de la pieza.b.- Del espesor de la chapa utilizada.c.- De la eventual diferencia en el espesor de la chapa (< o > Calidad)d.- Del material de la chapa utilizada.e.- Del tipo de estampa de embutir.

f.- Del lubricante aplicado entre la chapa y la matriz.




Descripción de una estampa de embutido

La estampa que se observa en la figura 36 es el corte de una estampa real, la cual seutiliza para embutir piezas pequeñas. Tal como se observa, la chapa es colocada en laestampa bajo una pieza de retención G, la cual será deformada por el punzón A, que seencuentra sujetado fuertemente al portapunzón B, que a su vez actúa comoprensachapa en la zona de contacto. Este conjunto A-B es sujetado a la cabeza, o partemóvil, del balancín y durante su descenso, deforma lachapa contra la matriz C. La contramatriz D, queantes de iniciarse la operación se encontraba en lasuperficie, se comprime a través del acortamiento delresorte E, otorgando una leve oposición capaz deajustar la deformación; además, cuando finaliza lacarrera activa del punzón, este dispositivo se encargade extraer la pieza de la matriz. Por último la matriz Cse fija a la base F, la que va sujeta a la mesa estática

del balancín.

Figura 36. Estampa de embutir.

Desarrollo de un elemento embutido

Uno de los problemas típicos es la determinación del desarrollo de la geometríadeformada. Si las geometrías responden a líneas rectas y/o curvadas, generalmente

hay fórmulas que evitan hallar los desarrollos mediante ensayos de prueba y error. Enla figura 37 se aprecian solo tres geometrías; las dos primeras, muy simples y la terceracon algún grado de complejidad. Las ecuaciones que definen el desarrollo de dichaspiezas son las siguientes, las cuales se obtienen igualando las superficies:

Figura 37. Simples piezas a ser embutidas

En la pieza cilíndrica de diámetro d y altura h el desarrollo es simple ya que lasuperficie del cilindro embutido es S = (π.d2)/4 + π . d . h; luego, la superficie del discode partida (para piezas simétricas de revolución siempre será S = (π . D2) / 4. Luego,igualando ambas ecuaciones ya que S es igual para las dos, resulta que el diámetro departida de la chapa desarrollada será:

D=√ (d2+4 . d . h)




Para una pieza cilíndrica de diámetro d1, altura h pero con un ala con diámetrod2, entonces el cilindro embutido tendrá una S = (π . d2

2) / 4 + π . d1 . h y la superficiedel disco de partida, nuevamente, será S = (π.D2)/4. Luego, el diámetro de partida será

D=√ (d22 + 4 . d1 . h)

Por último, para tener una idea como se complica la ecuación a medida que sediseña con mayor complejidad, el desarrollo para el tercer ejemplo de la figura 37 será:

D=√ (d22 + 4 (d1 . h1 + d2 . h2) + 2 .f . (d2 + d3))

En caso que la geometría no tenga formas regulares, o al menos de revolucióncomo las observadas en la figura 38, es prácticamente imposible de lograr el desarrollomediante fórmulas. Prácticamente, se realiza un corte de aproximación y, luego de ladeformación, se observa en que zonas falta material yen cuales sobra; con estas observaciones, se corta unanueva chapa y se deforma nuevamente. En caso de sernecesario, se deja un sobreespesor el cual seráremovido manualmente mediante una muela.

Figura 38. Desarrollo para piezas complejas.

Embutido en el torno

El principio para embutir en el torno consiste en deformar una chapa sobre un modelode revolución, generalmente de madera o aluminio, el cual rota a alta velocidad sobreel plato de un torno. La sujeción de la chapa se logra a través de la contrapunta contrael modelo en si. La deformación se otorga con una herramienta especial, la cualpresiona y deforma a la chapa de maneraprogresiva (figura 39). Esta técnica es sencilla, pococostosa y solo necesita una chapa dúctil; además,por el propio calentamiento de la operación, seproduce un ablandamiento de la chapa, facilitando

la operación.

Figura 39. Esquema de embutido en el torno.

El embutido la torno ha encontrado un gran campo de aplicación en ladeformación de chapas de Al, transformándolo en recipientes simples; discos de Al paraser embutidos en el torno se observan en la figura 40. Aunque la ductilidad de ciertasaleaciones de Al no es muy buena, se la puede aumentar con algún tratamiento de

recocido.




Muchas veces, debido a la dimensiones y/o la forma dela pieza, es necesario la utilización de dos o mas estampas. Esusual eliminar las rebabas con herramientas de cortetradicionales; las condiciones de corte serán benévolas deacuerdo a como este sujetada la pieza. En la figura 41 se

observa una verdadera operación.

Figura 40. Discos de Al para embutido en torno.

Figura 41. Operación de embutido en el torno.

Esta operación, si bien es sencilla, requiere algunosdetalles como una apropiada velocidad tangencial (~ 700m/min), buena habilidad en la operación, la forma de lasherramientas empleadas, la elección del material, etc.Otras aleaciones deformables son los latones (Al + Zn) ylas aleaciones de alto Cu (por encima de 95 %). En caso

de querer deformar chapas de hierro, esta deberá ser de bajo C, o dulce, y conespesores no mayores a 0,7 mm.

(Cu-

Una ventaja de esta operación esta relacionadacon el costo del modelo, ya que al ser de revolución y deun material tal como madera (para partidas bajas (< a1.000 piezas)) o aluminio (para partidas medias (< a10.000 piezas)), son de muy simple fabricación. En lafigura 42, un ejemplo típico de pieza obtenida en eltorno.

Figura 42. Lámpara, con pantalla y base de bronceSn 5%) obtenida por embutido en el torno.

Embutido con Punzón de Goma

Este método, similar al de corte por punzón de goma, también se emplea en el corte dealeaciones ligeras (sobre todo en aquellas de Al). En la figura 43 se veesquemáticamente una estampa de este tipo. Como toda la operación es menoscomprometida desde el punto de vista de los esfuerzos, las matrices se construyen enmadera, plástico o aleaciones livianas base Mg; a su vez, como el las técnicas de corte

con punzón de goma o doblado con matriz de goma, el punzón es de goma semi-dura.




El punzón suele tener un pequeño aro metálico que lo protege de las rebabasdel propio material cortado. En algunos casos la duración del punzón es notable, y hayejemplos para embutidos de piezaspequeñas, que luego de 25.000ciclos, el mismo no había perdido sus

cualidades.

Figura 43. Estampa de embutir conpunzón de goma.

La deformación se puede hacer en balancines comunes y usualmente la estampano necesita de un ajuste fino, ya que cualquier defecto lo absorbe el propio punzón.

Estirado

La operación de estirado consiste en disminuir, mediante sucesivasdeformaciones, el espesor de una pieza, generalmente cilíndrica y previamenteembutida. De la misma forma que en embutido, la deformación admisible por pasadadepende del tipo del material de la chapa. En la figura 44 se observa una operación deembutido y estirado, donde en la 1º es una operación de embutido tradicional,mientras que en la 2º etapa, ya hay una disminución del espesor e de la chapa. Esto seobtiene a través de una modificación sobre el juego entre punzón y matriz. Este tipo detécnica es utilizada en la fabricación de vainaspara proyectiles. Es fundamental una precisaconcentricidad entre punzón y matriz, ya quecomo se va afinando el espesor, cualquierdesajuste se evidencia rápidamente.

Figura 44. Estampa de embutido y estirado;notar la disminución del espesor entre etapas.

En este tipo de operaciones es fundamental la lubricación entre chapa y matrizpara facilitar la deformación (evitando desgarramientos en la chapa deformada) y paradisminuir el desgaste de la matriz. Generalmente también se lubrica el punzón parafacilitar la extracción de la pieza.

Extrusión

Esta operación deriva del término 'estrujar', que consiste en comprimir algo consuma violencia y expulsar su contenido hacia afuera. En términos de estampado de lachapa, es decir para piezas terminadas y no para perfiles semiterminados, la operaciónconsiste en aplicar mediante un punzón, un impacto sobre una pastilla de algún

material muy dúctil, el cual se deforma conforme a la matriz correspondiente. Elmaterial, en discos o pastillas, de exactamente el mismo volumen que la pieza




terminada, se remonta a través de la pared del punzón, tal como se observa en lafigura 45. Naturalmente se deben tener encuenta los aspectos relacionados con laextracción de la pieza, ya que la misma suelenser tubos muy esbeltos (de gran relación L/D),

quedando adheridos al punzón.

Figura 45. Extrusión en tres etapas:posición inicial, extrusión y extracción.

Respecto de la ductilidad del material, cuanto mas dúctil sea, menores presionespara deformar se deberán hacer y por ende, mayor facilidad para conformar. Este tipode técnica ha tenido gran suceso en la obtención de tubos finos de Pb, Sn y Al.Generalmente, se pueden extruir tubos de hasta 0,1 mm de espesor, y los diámetrosexternos pueden variar desde 8 a 100 mm.

De la misma forma que se pueden hacer tubos, se puede trabajar sobre otrasgeometrías, y para esto debe cambiar la estampa y lógicamente la pastilla de partida;en la figura 46 se observa la extrusión de un tubo de doble pared, partiendo con unapastilla tipo arandela.

Las alturas máximas a obtener con estastécnicas son:

• Piezas chicas, con diámetros D entre 8 y 60 mm.

h = 6 a 8 D

(h → desde 48 mm hasta 480 mm)

• Piezas grandes, con diámetros D entre 60 y 100mm

h = 2 a 3 D

(h → desde 120 mm hasta 300 mm)

Figura 46. Tubo de doble pared, extruido a partirde una pastilla tipo arandela.




UNIDAD 2.4. - SOLDADURA

2.4.1.- Introducción, 2.4.2.- Tipos de uniones soldadas, 2.4.3.- Soldadura por arcoeléctrico, 2.4.4.- Soldadura por resistencia eléctrica, 2.4.5.- Soldadura por fricción,2.4.6.- Soldadura y corte por llama de gas, 2.4.7.- Soldadura por explosión, 2.4.8.-

Soldering y brazing, 2.4.9.- Corte por chorro de agua.2.4.1.- INTRODUCCION

Este es el proceso mas usual para unir piezas metálicas. Soldadura es la uniónmetalúrgica de dos piezas metálicas por la aplicación de calor, de presión o bajo laacción combinada de ambas; generalmente, las superficies a unir deberán tener undeterminado tratamiento previo.

La ventaja de una unión soldada consiste en que dicha operación posibilitaeconomizar considerablemente el material a unir (ya que se evitan los solapasnecesarias en caso de unir con bulones, remaches, encastres, etc), simplifica el cálculo

y el proyecto de la unión, ahorra tiempo, mano de obra y en definitiva disminuye elcosto de la operación.

El diseño de uniones soldadas es fundamental y aquí se listan algunos aspectosa tener en cuenta:

• El diseño de las uniones soldadas deberá reflejar la flexibilidad y economíainherentes a los procesos de soldadura. La idea es no asimilar (o copiar)piezas generadas bajo fundición o forja.

• En el diseño de las uniones, tratar de mantener líneas rectas.

• Utilizar la mínima cantidad de uniones soldadas.

• Siempre que sea posible, soldar partes de igual espesor.• Ubicar las uniones en aquellas zonas de la pieza donde las solicitaciones no

sean críticas.

• Considerar cuidadosamente el circuito de uniones, en caso de ser mas de una,y aclarárselo apropiadamente al operario.

• Asegurarse que tanto el soldador, o la máquina de soldar, sean capaces deobtener la unión soldada con la calidad requerida. En caso de ser posible,evitar las posiciones sobrecabeza.

Durante la soldadura, la superficie a soldar puede estar en estado líquido o en

estado sólido (si bien realmente la superficie a soldar se encuentra en estado pastoso).La primera de ellas, es decir la soldadura por fusión (en estado líquido), se efectúacalentando los bordes de las superficies a unir por encima de la temperatura de fusióndel material, generando una pileta líquida que cuando solidifica, conforma el cordónsoldado; por ende, en este caso, hay un severo cambio estructural del metal base,como del metal de aporte si este llega a estar presente, en la unión soldada. Cuando launión soldada se realiza a través de una temperatura en donde la misma no es talcomo para fundir las superficies, entonces las superficies toman un estado pastoso, y lamicroestructura de los materiales a unir prácticamente no varía. Por último, y dentro delos métodos de soldadura en estado sólido, se encuentran las soldaduras en frío, donde

la temperatura a la que se logra la unión es la ambiente. Luego, la soldadura puedehacerse sin emplear material de aporte (calentando las superficies a soldar y uniéndolas

Tecnología I - U2.4 - Soldadura - 1



bajo presión) o bien aportándolo mediante una varilla, o electrodo, el cual se funde enfunción del calor generado por una llama o por un arco eléctrico.

La selección de un apropiado proceso de soldadura dependerá del calornecesario para lograr la unión, la disponibilidad del equipo y la economía del proceso.Dado que la soldadura implica un severo calentamiento en una zona específica, seguidode un rápido enfriamiento, siempre habrá presencia de tensiones residuales, las cualesse transforman en distorsiones. Una forma de eliminar estas distorsiones es establecerun circuito térmico de forma que este pueda liberar dichas tensiones; generalmenteesto se logra mediante un precalentamiento (facilitando la fusión, disminuyendo losparámetros de máquina) y un postcalentamiento, disminuyendo este las tensionesresiduales. Si debido a la geometría de la pieza es imposible evitar dichas distorsiones,estas se deberán reforzar de modo de compensar dichos esfuerzos.

Las técnicas mas usuales de soldadura se pueden dividir en:

Lógicamente, de todos estos tipos se analizarán los mas importantes, inclusivealgunos de ellos que por algún motivo en especial sean de interés.

Un aspecto fundamental en las uniones soldadas esta relacionado con el calorgenerado por la fuente. Al ser capaz de fundir los materiales a soldar, tanto el basecomo el de aporte, estos vana formar una pileta líquida, ydicha pileta va a influir sobrela microestructura sólida quela rodea. Esta zona afectadapor el calor comúnmente se ladenomina ZAC y siempre sebusca que sea lo menorposible (figura 1).

Figura 1. Pileta líquida y ZAC.




2.4.2.- TIPOS DE UNIONES SOLDADAS

Si bien hay distintos tipos de uniones, las mas usuales son las uniones a tope y lapreparación de la junta será función del espesor de las piezas a soldar. Tal como seobserva en la figura 2, hasta 3 mm de espesor se rebordean hasta una altura igual alespesor de las chapas; de 3 a 6 mm se preparan sin bisel, es decir propiamente a tope;entre 6 y 30 mm se preparan los bordes en V y mayores a 30 mm de espesor, la juntade prepara en forma de X.

Figura 2. Uniones a tope.

Por otro lado, también son usuales las disposiciones , tal como se ve en la figura3, en L, solapadas y en T.

Figura 3. Uniones soldadas en L, solapadas y en T.

También se las caracteriza según su posición aplicación y las uniones puedenser, ya sean a tope, en L o en T: bajomano, horizontal, vertical descendente (noconveniente), vertical ascendente (conveniente) y sobrecabeza; en la figura 4 seobservan las esquemas posicionales para uniones a tope y en L. Las aplicaciones masrecomendadas son las bajomano, ya que en las verticales y en las sobrecabeza, ydebido a que en definitiva se tiene metal líquido, si los parámetros no son losapropiados, habrá derrames.

Figura 4. Posiciones de soldadura, a tope y en L.




2.4.3.- SOLDADURA POR ARCO ELECTRICO

Es cualquier técnica que emplea el arco eléctrico como método de calentamiento. En lafigura 5 se observa la evolución de las soldaduras por arco eléctrico, desde aquellas enlas que no había protección hasta las modernas, con asistencias de distintos tipos.

Figura 5. Distintos tipos de soldadura por arco eléctrico.

a.- Soldadura por arco eléctrico con electrodo metálico

Regulando convenientemente las características de una corriente eléctrica sepuede lograr que entre los extremos de los conductores por donde ella pasa salte unachispa; esto es posible si los conductores se encuentran a corta distancia. A esta chispase la denomina arco eléctrico . La temperatura a la cual se produce el arco es tanelevada que funde fácilmente los metales. En la soldadura eléctrica la corriente eléctricagenerada por una máquina de soldar, es conducida a través de dos conductores; en elextremo de uno se coloca la pieza a soldar y en el extremo del otro va la varilla con osin material de aporte, llamado también electrodo . De esta forma se genera un circuitoeléctrico tal cual se lo ve en la figura 6; se observa que cuando el electrodo entra encontacto con la pieza, se cierra el circuito y la corriente pasa a través del electrodo y la

pieza.

Figura 6. Circuito abierto → no hay chispa; Circuito cerrado → hay chispa.

Ese mal contacto entre electrodo y pieza es importante ya que aparte deposibilitar el movimiento del electrodo a lo largo de la pieza a soldar, es la que produce




las chispas y por ende una elevadísima temperatura que permite la fusión tanto de lapieza como la varilla de aporte; de esta última se desprenden gotas de metal fundidoque se transportan hasta la pieza y sumado al metal base fundido, forman la piletalíquida (figura 7). El incremento entre el espesor de la pieza a soldar y el espesor de lapieza soldada, se denomina sobremonta. La capa que

cubre la unión soldada, la cual se desprendefácilmente, se denomina escoria (figura 8).

Figura 7. Cordón de soldadura.

Figura 8. Formación del cordón.

A medida que tanto el electrodo como la zona aledaña de metal base se vanfundiendo, el primero se debe ir desplazando a lo largo de la unión a soldar; luego, amedida que la pileta líquida se va solidificando, se conforma el cordón de soldadura.

Un cordón de soldadura puede ser producto de una única pasada, en el casoque el espesor de la unión lo permita, o de lo contrario será conformado mediantepasadas múltiples. En estos casos, y debido a que la preparación generalmente es en Xo en V, la operación se divide en una pasada de raíz (fundamental, ya que laspropiedades de la unión dependerán en gran manera de esta pasada) y en pasadas derelleno. Esto es complejo porque luego de cada pasada, tanto en la de raíz como la derelleno, es fundamental remover la escoria y eso se realiza mediante piquetas; escoriano removida y luego cubierta con un nuevo cordón derivara en una inclusión dentro dela microestructura de la unión soldada.

La soldadura de arco eléctrico por electrodo revestido es una operación

totalmente manual. Si bien inicialmente los costos son accesibles, se genera una granincertidumbre cuando las producciones son seriadas, ya que se necesitan unadeterminada cantidad de operarios. Luego, cada operario realiza movimientos en tresdirecciones, y naturalmente, cada cual tiene su cadencia y estilo. Los movimientos son:

a.- Hacia abajo, siguiendo el eje del electrodo, manteniendo constante la longituddel arco eléctrico.

b.- A lo largo de la unión a rellenar.

c.- Transversalmente a la unión, es decir una especie de abanicado leve, de pocaamplitud.




En la figura 9 se muestra la disposición elemental de una máquina de soldar porarco eléctrico. La corriente se toma de la red, pasa por los fusibles, por el interruptor ymediante los cables llega a la máquina. De esta salen dos cables conductores por loscuales circula la corriente que alimentan el arco. En el extremo de uno de estos cablesse coloca una pinza portaelectrodos, la cual es manejada por el soldador para la

ejecución de la soldadura. El otro cable lleva en su extremo una mordaza metálica, lacual sujeta a la mesa metálica donde se apoya la pieza (también metálica) a soldar;también se lo puede apoyar contra la pieza, asegurándose un buen contacto.Comúnmente se lo llama cable de masa . En la figura 10, una fuente de energía actual,la cual se podrá utilizar a su vez en técnicas de MIG/MAG, TIG, Stud Weld y hasta ensoldadora de puntos si se cuenta con los accesorios correspondientes.

Figura 9. Esquema equipo parasoldar por arco eléctrico.

Figura 10. Fuente para soldar por arco eléctrico.

El arco de soldadura se caracteriza de manera especial ya que para que seestablezca necesita una alta corriente (en el orden de ≈ 250 A) y una baja tensión(entre 20 V y 35 V). Estos parámetros son variables y definirán el tipo de pileta líquidaformada.

Los electrodos cumplen una triple misión: sirve de conductor de la corriente paramantener el arco eléctrico, el alma sirve para proporcionar el metal a la unión a soldary los gases que se producen al quemarse el recubrimiento sirven para alejar el oxígeno

del cordón de soldadura, evitando la corrosión (no olvidar que en el punto de soldaduralas temperaturas son superiores a los 2000°C).

Desde ya que hay varios tipos de electrodos, los cuales se diferencian o por eltipo de metal de aporte (p/aceros inoxidables, p/aceros comunes, p/aceros aleados,etc.) o por el tipo de recubrimiento; estos pueden ser desnudos, cuando no poseenrecubrimiento (tal el caso de varillas desnudas) o de diferentes tipos (rutílicos, básicos yorgánicos). La principal razón de los revestimientos de los electrodos es que seancapaces de generar la capa de escoria que cubra la pileta líquida y eviten la oxidaciónde la misma.

Los electrodos generalmente varían entre 8 a 30 mm de diámetro (en función dela cantidad de material a aportar, relacionado entonces con el tipo de preparación de la




junta y el espesor de las chapas a unir), con una longitud entre 20 y 30 cm. Estodetermina que la aplicación de un cordón de soldadura con electrodo revestido comoun proceso discontinuo, ya que cada vez que se agote el electrodo, quedará reflejadosobre el cordón de soldadura.

El metal del electrodo siempre es un acero de bajo carbono (entre 0,1 % y 0,15%), mientras que los elementos de aleación que diferencian a unos de otros seagregan en el revestimiento; esta es la 2ª razón del revestimiento. Por último, elrevestimiento tiende a direccionar el goteo, ya que al tener menor T fusión que el almadel electrodo, tiende a generar un tubo que guía las gotas de metal líquido (figura 11).

La dilución del metal base indica que porcentaje de este se funde para formaruna nueva estructura. Esta dilución está directamente ligada con los parámetros deaplicación, entonces, a mayor tensión y mayor corriente, mayor dilución.

Figura 11. Sección de un electrodo recubierto

b.- Soldadura por arco eléctrico con protección gaseosa

Estos procedimientos se utilizan generalmente para todo tipo de metales ferrosos; esposible soldar aluminio, aleaciones ligeras (Al+Mg, Al+Sn, Al+Sn+Mg, etc.), cobre, yotros metales no ferrosos. También se utiliza este método cuando se necesita unaóptima resistencia a la corrosión de la unión soldada.

En estos casos, la protección de la pileta líquida no se logra mediante la escoriaproducida por la fusión de los elementos presentes en los revestimientos, sino que seprotege mediante un chorro de gas inerte, el cual aísla al cordón de la presencia de O.Esto determina que el material de aporte venga en forma desnuda, por lo que elmaterial ya tendrá la composición química deseada directamente en el alambre.

Los gases utilizados usualmente para protección son: Helio, Argón, mezclas de

Ar y He, mezclas de Ar y H; el Ar y el He son inertes mientras que el H es activo. El Arproduce un arco mas suave y mas estable. Con He, el arco es mas penetrante, mayores el volumen de la pileta y por este motivo es que únicamente se utiliza para soldar enposiciones bajo mano, además de volverse mas susceptibles a pequeños errores deaplicación; las velocidades de deposición pueden ser mayores con He que con Ar.

Los métodos mas usuales para soldar con gases inertes son: MIG = Metal inertegas; MAG = Metal active gas; TIG = Tungsten inerte gas.

b.1.- Métodos MIG - MAG

Los equipos MIG - MAG son semiautomáticos (ya que la alimentación de la varilla escontinua), pero el movimiento longitudinal a lo largo de la unión se hace en forma




manual. Un aspecto fundamental de estos equipos es que la regulación de losparámetros (tensión y corriente) es automática, es decir que varían en función de lalongitud del arco. En la figura 12 seobserva la torcha de aplicación,observándose sobre la parte superior

tres conductores: uno que transportala corriente, otro que es el metal deaporte propiamente dicho y porúltimo el que lleva el gas protector.

Figura 12. Proceso de aplicaciónpor arco eléctrico bajo MIG - MAG.

La principal ventaja de estos sistemas es la gran velocidad de aplicación,definida por la continua alimentación del metal de aporte y por la ausencia de escoria(evitando la pérdida de tiempo para la remoción manual de la misma por medio depiqueteros); otra ventaja de estos sistemas es que el cordón no sufre interrupciones, yaque la alimentación es continua.

El espesor mínimo usual en la práctica para soldar mediante protección por gases de 2 mm; sin embargo, utilizando aportes de pequeño diámetro (menores de 1mm.) se pueden llegar a soldar espesores de hasta 0,25 mm.

En la figura 13 se observa el equipo necesario, notándose el sistemaalimentador, ubicado entre la fuente y el electrodo consumible dispuesto en forma decarrete; se observa también el carretel del metal de aporte, que si bien es ferroso, tieneun fino recubrimiento de cobre para evitar oxidaciones. Así mismo se observa elsistema de protección por gas, es decir tanto el tubo como el regulador de presión.

Figura 13. Diagrama del equipo necesario para procesos MIG - MAG.




Las desventajas de este método, comparadas respecto del la soldaduramediante electrodos revestidos, son:

• Equipo mas costoso, mas complicado y menos portable.

• Imposibilidad de soldar en lugares abiertos. Protección para vientos.

• En algunos casos, mayor presencia de grietas (al no haber escorias, se incrementa lavelocidad de enfriamiento).

b.2.- Método TIG

Los equipos TIG son totalmente manuales. En este caso, el electrodo de Tungsteno esinconsumible, es decir que establece el arco eléctrico y por consiguiente elcalentamiento, sin que este se degrade. El metal de aporte no siempre es necesario yaque al tener una alta penetración permite juntas a tope (de diferentes espesores enfunción del metal a soldar); en caso de ser necesario aporte, se realiza mediante

varillas desnudas y de manera manual. La protección se logra mediante la asistenciadel gas inerte. La calidad de estas uniones soldadas son excelentes, pero cuentan conel problema de equipos no tan accesibles, además de que es necesaria una pulidatécnica de aplicación.

Para obtener una buena unión soldada es necesario que las áreas a soldar, asícomo el metal a aportar, estén perfectamente limpias; suciedades, y/o presencias dehumedad, introducen altas cantidades de H en la pileta líquida, y este, al no poderescapar ya que la pileta se congela rápidamente, este quedará en forma de poros.

Las aleaciones posibles de unir por TIG incluyen aceros de bajo, medio y alto C,aceros inoxidables, Al y aleaciones de Al, Cu y aleaciones de Cu, Mg y aleaciones de Mgy Ni y aleaciones de Ni. Tanto el plomo como el zinc son difíciles de unir mediante TIG.

Las torchas de los equipos TIG se deben refrigerar mediante un circuito continuode agua ya que levantan altísimas temperaturas, no capaces de fundir el W (Tf W=3410°C), pero si de fundir toda la torcha; en la figura 14 se observa la salida de gas, laposición del electrodo y el metal de aporte en forma de varilla desnuda. En la figura 15se observa el detalle de la torcha, de su sistema de refrigeración y de un operariosoldando. Si bien los equipos no son complejos, ya que es una fuente normal de arcoeléctrico, mas la alimentación de gas similar a MIG/MAG, la diferencia esta en que tieneque haber una circuitocerrado de agua, el cual

erará la torcha.

Figura 14. Esquemasoldaduras por TIG.

refrig




Figu

En la figura 16 se observan típicas uniones de borde soldadas por TIG, variandoentre ellas en función del espesor de la placas a soldar y del diseño utilizado. El métodopara obtener un buen cordón de soldadura se logra con mucha práctica

e debido a que se mezclan con el fundente, este último no se puede reciclar.

Otra solución es agregar dos o mas alambres de aporte, e inclusive es usual quesi se necesita una dada composición química se trabaje con diferentes metales de

ra 15. Torcha para TIG,detalle de refrigeración y

operario soldando.

Figura 16. Diferentes tipos de uniones de borde soldadas por TIG.

c.- Arco sumergido

Este es un sistema para soldar piezas de gran tamaño, es decir grandes longitudes, ypor lo tanto con gran volumen de material depositado. Generalmente las geometrías dela unión son líneas rectas o espirales alrededor de un tubo; esto es debido a que elsistema no es flexible.

El arco eléctrico está protegido por una capa granulada de fundente, el cual sedeposita a través de una tolva; el excedente de este fundente se aspira y se vuelve autilizar. La forma de suministrar el metal de aporte es similar al utilizado en los métodossemiautomáticos de tipo MIG/MAG y esta en forma de alambre continuo en carretes.

En la figura 17 se observa un equipo típico para este tipo de soldadura. Una

gran ventaja de estos equipos es que como son totalmente automáticos (si bien los haysemiautomáticos) es que el aspecto de la unión es sumamente homogéneo, con laparticularidad de que la escoria se extrae fácilmente, sin que sea necesaria una acciónmecánica.

Si el espesor de las piezas es grande, y debido a que la preparación de la juntaserá en X o doble U, es necesario, además del metal aportado por el propio electrodo,agregar algún tipo de material de manera que se incremente la cantidad de metalaportado. Una solución es mediante el agregado de polvo de Fe, mediante otra tolva,situada anteriormente a la del fundente; el problema de este agregado de partículas deFe, es qu




aporte de fntre sí.

menes depositados.

rellenar la zona de trabajo un

ene que estar observando el

orma que cuando se funden, conformando la pileta líquida, se combinane

Figura 17. Soldadura por arco sumergido, para grandes volú

En la figura 18 se observa el dispositivo paracilindro laminador desgastado, además de un carretel de aporte.

Figura 18. Arco sumergido; relleno cilindro desgastado. Carretel metal de aporte.

Una ventaja de este método es que el operario no ti

aspecto de la unión soldada. Luego, se evita la fatiga óptica típica de los operarios quetrabajan en este tipo de tareas.




d.- Stud Weld - Soldado de tornillos y/o pernos

Este método se utiliza cuando se desean soldar pernos, bulones, tornillos, espárragos,o cualquier elemento esbelto, sobre una dada superficie y utilizando al propio elementoa soldar como electrodo. El arco eléctrico se establece entre el elemento y la plancha;una vez establecido el arco, y luego de la fusión de ambos componentes, se aplica unesfuerzo que produce la coalescencia de ellos. Para lograr que la unión sea masnifor squillo.a pr amental.

leciendo por ende el arco eléctrico.

o

En la figura 21 se observan los principales defectos producidos en un proceso destas características. Siendo la primera la forma correcta, el origen de los demás

problemas se listan por debajo de la figura.

u me, e incluso tenga un aspecto mas prolijo, se le agrega una especie de caeparación de la unión, estableciendo una punta sobre el perno, es fund

a 19 se observan los pasos elementales para obtener un Stud Weld.LEn la figur

Figura 19. Soldado de pernos sobre una superficie - Stud Weld

Para la aplicación de estos se utiliza un aplicador en donde se aloja el perno, yprevia ubicación del casquillo, se procede a ubicar el mismo dentro de este,

procediendo a iniciar la diferencia de potencial, estabEn la figura 20 se observa distintos tipos de piezas a ser aplicadas por stud weld, alequipo aplicador, generalmente tipo pistola con una fuente tradicional (en este casportátil) y a la cazoleta y perno propiamente dicho.

Figura 20. Soldado de pernos sobre una superficie - Stud Weld

e




Figura 21. Optimo; arco eléctrico corto por mala elección parámetros de soldadura;alineación defectuosa; baja intensidad de corriente (baja T); alta intensidad de

corriente (alta T); soldadura incompleta, debido a un mal funcionamiento del aplicador.

Una desventaja de este método es que los elementos a soldar deben tener undiseño tal como para que se puedan asir mediante el aplicador.

2.4.4.- SOLDADURA POR RESISTENCIA ELECTRICA

El método de funcionamiento se basa en que si dos superficies en contacto se aprietany por entre medio de ellas se hace pasar una determinada corriente, esta última generatemperaturas tan altas que son capaces de fundir superficialmente los materiales encontacto y por ende producirse la soldadura. Si aparte de altas temperaturas se aplicauna fuerte gran presión, entonces se pasa de un proceso de soldadura por resistencia aun proceso de forja por resistencia.

Soldadura de puntos En la figura 22 se ve el esquema de una soldadora por puntos. Los electrodos estánunidos por cables conductores al generador de corriente y entre medio de ellos se ponela pieza a soldar; luego, por algún mecanismo generalmente manual en máquinasportátiles y automático en la de gran porte (figura 23), se hace descender al electrodosuperior (que es móvil) y este, al ponerse en contacto con las piezas a soldar, las sujetay le produce un pequeño aplastamiento a la zonasoldada.

Figura 22. Esquema soldadura por Figura 23. Soldadora de puntos.resistencia eléctrica de puntos.




Dicho método se usa principalmente para chapas de mediano espesor ( ≤ 1mm.de espesor c/una) y se usa especialmente en industria automotriz. Para soldaduraspequeñas existen máquinas de dimensiones reducidas, evitando de esa forma ya sea elatornillado o el remachado. En la figura 24 se aprecian un esquema del punto, un fotomicrográfica del estado de la soldadura y un perfil de temperaturas T en función del

tiempo de aplicación.

Figura 24. Unión por puntos: esquema, micrografía y perfil de temperaturas.

Hay recomendaciones típicas que indican la distancia entre puntos, así comoel solape de las dos chapas a soldar; ambosparámetros serán función del espesor de lachapa. El esquema y tabla se observan en lafigura 25 y la tabla I.

Espesor[mm]

Espacio S[mm]

Solape L[mm]

0,25 6,3 9,5

0,5 9,5 11

0,8 13 11

1,0 19 13

1,3 22 14

1,6 27 162,0 35 17

2,4 41 19

2,8 46 21

3,2 51 22

Figura 25 y Tabla I. Puntos en función del espesor.

Como modo de ejemplo, en la figura 26 se aprecian modos aconsejables para

tener correctas uniones por puntos.

Figura 26. Unión por puntos: formas aconsejables.




Para producciones en masa y totalmente automatizadas tales como la quesucede en la industria automotriz, la soldadura por puntos se realiza en estaciones conrobot previamente programados para que en corto tiempo se realizan un gran númerode puntos. En la figura 27 se aprecia un terminal de aplicación, así como puntos sobrepaneles de carrocería.

Figura 27. Mordaza móvil para robot soldador yaspecto de puntos en la industria automotriz.

Soldadura por Costuras

También se denomina soldadura por rodillos. Las máquinas de soldar son similares alas de punto pero en este caso son ruedas por las que entre medio de ellas pasan laschapas a soldar (figura 27); para asegurar un buen contacto entre chapa y rueda, estasúltimas son de cobre. La presión durante la operación (figura 28) es prácticamente

constante mientras que la corriente se activa cada un período perfectamentedeterminado; de esa manera, con velocidades de avance y presiones constantes, seobtienen soldaduras de muy alta calidad, garantizando una perfecta estanqueidad(calderas, recipientes, etc.). Las roldanas, que son giratorias, se accionan gracias a laacción de un motor eléctrico.

Figura 27. Esquema y máquina de soldadura por costuras.




Figura 28. Dispositivo para unir chapas mediante costura.

Soldadura por Protuberancias

Es una variante de la soldadura por puntos. En una de las superficies a unir se hacenuna serie de puntos en relieve. Luego de que los electrodos se adapten (en forma) a lapieza, se les hace pasar la corriente entre ellos y de esa forma se obtiene la uniónsoldada. Si se busca un cordón continuo, se puede hacer un relieve continuo (ej.:nervio de una chapa). Un esquema de insertos a soldar por esta técnica se observan enla figura 29.

Figura 29. Soldadura por protuberancias.

Soldadura a tope por resistencia

Denominado como 'Flash Welding', el uso mas característico es el usado para soldar atope barras y perfiles. Simplemente consiste en presentar los extremos de una barra yhacerle pasar entre ellos una corriente que produzca calentamiento, a través del arco

eléctrico que se establece entre ellos. Tal como se muestra en la figura 30, una de lasmordazas es fija y la otra es móvil; una vez que se presentan (1º etapa) y se les hace




pasar la corriente (2º etapa), se le da un gran incremento en la presión y de esa formase logra el forjado (3º etapa).

Este método de soldadura esmuy utilizado en la industriaaeroespacial y en la industriaautomotriz, ya que permite la unión debarras y tubos, es decir que cilindrossólidos o huecos.

Figura 30. Soldadura a tope por

resistencia.

En el caso de los tubos, siendo estos huecos y dependiendo del espesor de lapared, resulta crítico el tema de la alineación entre ellos; este tema es difícil decontrolar. En la figura 31 se observa el aspecto de la unión soldada resultante de unabuena alineación y de una defectuosa alineación.

Figura 31. Aspecto unión a tope por resistencia; mal y bien alineada.

Cualquier tipo de metal puede ser soldado a tope por resistencia, y si secontrolan bien los parámetros, es posible unir piezas de metales disímiles. Este métodosoluciona problemas de diseño respecto de la misma pieza, ya sea forjada o fundida.

Una desventaja de este proceso además del tema de la desalineación, son lasproyecciones de metal fundido que se producen cuando se establece el contacto.

2.4.5.- SOLDADURA POR FRICCION

Este método, de unión bajo estado sólido, consiste en convertir energía mecánica enenergía térmica, capaz de obtener un calentamiento tal que pueda alcanzartemperaturas de fusión. El principio de funcionamiento se basa en colocar dos barrascilíndricas (generalmente, ya que se pueden unir cualquier tipo de geometrías tal queuna pueda rotar a altas velocidades respecto de la otra) metálicas con sus extremos en

contacto y se hace girar una de ellas a alta velocidad; por ende, hay un gran




calentamiento y, gracias a una presión, selogra la soldadura; esto se observa en lafigura 32.

Figura 32. Fundamento para obtener unasoldadura por fricción.

Las ventajas de este método son varias:

• Altas producciones, determinadas por la capacidad de alimentar los equipos deforma continua.

• Preparación normal de superficies a unir, ya que la alta fricción elimina todotipo de irregularidades.

• No son necesarios fundentes, metales de aporte y/o atmósferas protectoras.

• La operación es relativamente limpia, ya que no hay salpicaduras de metalfundido, no hay arcos eléctricos, no hay presencia de humos.

El equipo necesario para este tipo de operación, definido bajo soldadura deestado sólido, se observa en la figura 33: en ella se ven a las dos piezas a unir, elsoporte (o mordaza fija) que no gira, el pistón hidráulico que produce una leve presiónmientras hay fricción y una alta presión cuando las piezas ya están a la temperaturafinal y la mordaza móvil, la cual recibe el movimiento desde el motor eléctrico.

Figura 33. Equipo necesario para soldar por fricción.

Un aspecto positivo de este método es la forma de controlar los parámetros desoldadura. En este caso la velocidad juega un papel menor, ya que el calentamientoserá función de esta velocidad pero también de la presión con que se realice la unión.




El calentamiento debe ser acotado ya que de lo contrario se incrementaconsiderablemente la ZAC.

Este tipo de método de soldadura es capaz de unir metales disímiles; en la tablaque se observa en la figura 34 se ven aquellos materiales capaces de ser unidos porsoldadura a fricción.

Figura 34. Materiales a unirpor fricción; combinaciones

posibles.

se combinan directamente en el soplete, mediante una pequeña

(tal cual las aplicadas

n TIG) o directamente en alambres dispensados en un carrete.

O [m3] p 3 gas T máxima [ºC]

2.4.6.- SOLDADURA Y CORTE POR LLAMA DE GASEste es un proceso manual, donde para obtener la temperatura de la unión a soldar, yla del metal a aportar en caso de ser necesario, se utiliza la combustión de dos gases,generalmente oxígeno y algún otro combustible, tales como el acetileno (C2H2),hidrógeno (H2) o gas natural metano (CH4). Estos, el O y el combustible, se almacenanen diferentes tubos ycámara de mezclado.

En la tabla II se observan las propiedades de los gases combustibles. Es por esoque el acetileno se utiliza en función de su alto poder calorífico. En caso de sernecesario material de aporte, este puede aplicarse desde varillas

e

Tipo de gas /1 m

Acetileno - C2H2 2,5 3150

Hidrógeno - H2 0,5 2182

Metano - CH4 2 2000

Tabla II: Propiedades de los gases combustibles

El acetileno C2H2, que tiempo atrás se producía mediante la interacción depiedras de carbonato de calcio CaC2 con agua, pero en la actualidad bien envasado en




tubos le permite al operario llevar un buen control de las temperaturas obtenidasalrededor de la zona a unir. Cuando se combina esto con una adecuada velocidad deaplicación de calor a lo largo de una dada geometría, se obtienen buenas unionessoldadas. El calor puede estar orientado ya sea hacia el metal base o al metal deaporte. Esto posibilita la unión de piezas de muy poco espesor, ya sean planchas,

tubos, barras, etc. Cuando los espesores a unir son considerables, este método resulta

es, ferrosos y no ferrosos, pueden ser unidos medianteoldadura por llama de gas.

iores y permite controlar lamperatura.

Figurtemperaturas respecto de la zona.

composición se observa enfigura 36.

Figa los porcentajes de componentes.

mas costoso que los de arco eléctrico.

La mayoría de metals

LLama de soldar

Según sea la proporción de O y de C2H2, lacarburante. Sobre una llama neutra, talcual se la observa en la figura 35, se

obtienen distintas zonas: una inicial endonde los gases son mezclados, unaposterior en donde se inicia lacombustión, luego la zona de combustióntotal que es la de máxima temperatura yluego el penacho que envuelve lasregiones anter

llama soldante podrá ser oxidante, normal o

te

a 35. Zonas de la llama y perfil de

La llama será normal si la relación O2 / C2H2 ≈ 1 a 1,2; si la cantidad de acetilenoesta en exceso → O2 / C2H2 < 1, la llamaalto C y fundiciones. Si en cambio el Oesta en exceso → O2 / C2H2 > 1, la

llama es oxidante, toma un colorazulado y ardiendo con alto ruido, seutiliza para soldar latones. Aspectos dela llama y su

es reductora y se utiliza para soldar aceros de

la

ura 36. Tipos de llama en función




El soplete, tal como lo muestra la figura 37, consta de un mango en el cual haydos entradas de gas: una para el oxígeno y otra para el gas, generalmente acetileno.Luego hay una cámara de mezcla en donde los gases se mezclan en la proporcióndeseada por medio del regulador. A continuación va un tubo denominado lanza y en elextremo se acopla una boquilla.

Figura 37. Soplete para soldadura oxiacetilénica.

La figura 38 muestra una sencilla instalación de soldadura oxiacetilénica; lostubos de oxígeno y de acetileno, los manoreductores de cada uno y por ultimo elsoplete, lugar a donde la mezcla es llevada por conductos de caucho reforzados. Estosequipos son versátiles, de bajo costo, autosuficientes y generalmente portables. De lamisma forma, pueden ser utilizados como precalentadores, postcalentadores yfundamentalmente como instrumento de corte.

Figura 38. Instalación paraoldadura oxiacetilénica.s

Corte con llama de gas

El corte con llama de gas se basa en quemar grandes volúmenes de metal líquidomediante una alta llama oxidante, es decir con exceso de O. El corte de gas se divideen corte de profundidad y en corte superficial. Un esquema de la operación se observaen la figura 39.

El corte de profundidad se realiza mediante un precalentamiento previo, luegose agrega O de manera de que arda dicho material y por último se desplazan losresiduos que aparecen en formas de óxidos. En este caso como combustible se utilizaC2H2, H2, Kerosene y CH4. Este corte se efectúa con sopletes especiales, que sediferencian de los sopletes ordinarios ya que están dotados de un canal por donde seinyecta el O, es decir que parte se combina con el combustible, y otra parte,




mayoritaria, se aplica directamente en la zonade corte. Uno de estos se observa en la figura40, donde se observa una boquilla, siendo estafuncional ya que permite cortes en todasdirecciones; otras torchas, con alimentaciones

de O externas, determina una direcciónprefijada.

Figura 39. Fundamento de corte por llamagas.de

Figura 40. Boquilla para corte por llama de gas

El corte superficial es una variedad del tratamiento de metales con llama y seemplea para pequeños cortes, tales como recortes de bebederos, de rebabas, etc.

Por último, el corte por arco eléctrico, se utiliza para cortar chatarra de hierro. Laesencia de este proceso es desalojar el metal fundido, obteniendo el corte deseado. Enchapas de gran espesor, para que esto sea posible, se las debe ubicar en forma verticalo con una dada inclinación, de manera que la pileta líquida escurra por gravedad.

2.4.7.- SOLDADURA POR EXPLOSION

La soldadura por explosión es un proceso de soldadura por estado sólido que produceuna unión soldada debido a un impacto por alta velocidad de las piezas a soldar; estose obtiene a través de una detonación controlada. La idea de este proceso es poderrecubrir un dado material, con otro de mucho menor espesor, disminuyendo el costo dela pieza; un ejemplo típico es el recubrimiento de chapas navales, donde una planchade acero 1010 de 30 mm de espesor, se la recubre con una chapa de 2 mm de aceroinoxidable.

La explosión acelera a una de las piezas y la soldadura se produce en unafracción de segundo sin la adición de metal de aporte. El fundamento de esta operaciónse basa en el anclaje mecánico entre ambas piezas a unir, y no por medio de una




afinidad atómica. Es por este motivo que este método es especial para recubrirsuperficies de un dado material con otro material, siendo estos metales disímiles; dadoque el acople se genera mediante severas deformaciones plásticas, ambos metales,base y recubrimiento, deben ser capaces de soportar estas deformaciones, es decir queserán metales dúctiles; también se debe tener en cuenta que el espesores del

recubrimiento no será tal que lo rigidice en demasía. Por ende, a mayor espesor delrecubrimiento, mayor será la potencia de la carga explosiva. La mayoría de estasoperaciones se realizan cuando se quieren recubrir grandes superficies, mayores a unm2. Lógicamente esta operación se realiza a temperatura ambiente y prácticamente nohay incremento de temperatura en el sistema.

Tal como se en la figura 41, el sistema consta de tres componentes: el metalbase, el metal a depositar y la carga explosiva. El metal base permanece inmóvil,mientras que el metal a depositar de deformará sobre el, generando los anclajesmecánicos; a su vez, si el metal base no es grueso, deberá estar asistido por algún tipode bastidor de manera de poder soportar la explosión. El metal a depositar usualmente

se lo posiciona en forma paralela, y por sobre este se coloca la carga explosiva,distribuida uniformemente sobre la superficie del metal a depositar. La acción en comoocurre la explosión es fundamental yaque esta debe avanzar progresivamentey, la velocidad del frente de explosión,establece la velocidad a la cual ocurre launión. A esta velocidad se la denomina'velocidad de colisión'. Para estableceruna unión limpia, se debe tener especialcuidado en la preparación de las

superficies.

Figura 41. Soldadura por explosión.

En la figura 42 se observa la microestructura de la unión. Tal como se ve, no

existe una interfaz común, sino que el efecto de ganchos establece el anclaje mecánico.

Figura 42. Aspecto microestructural.




Los metales que se pueden recubrir mediante soldadura por explosión, seobservan en la figura 43. En todos los casos, serán aleaciones dúctiles.

Figura 43. Aleaciones factibles de aplicarsepor soldadura de explosión.

2.4.8.- SOLDERING Y BRAZING

En muchos casos no es conveniente, o a veces imposible, calentar a punto de fusión almetal base y por lo tanto se emplea un método de soldadura sin fusión. Ocurre que sefunde el metal de aporte, pero no el metal base y es por esto es que se busca unmaterial de aporte con bajo punto de fusión comparado con el punto de fusión delmetal base, ya que de esa manera es seguro que no se alterará el material base. Sedesprende que la unión no va a ser homogénea como las otras, sino que mas bien hayuna soldadura irregular y débil.

Hay dos tipos de soldadura bajo estas condiciones:

• Soldering o soldadura blanda: el punto de fusión del metal de aportación es muybajo, generalmente inferior a 400ºC. Los elementos de aporte mas usuales sonaleaciones con base plomo y estaño.

• Brazing o soldadura fuerte: en este caso los metales de aporte tienen puntos defusión superiores a los 500ºC y se pueden conformar soldaduras con buenaspropiedades mecánicas. Aleaciones base Ag son depositadas de esta forma.

Conceptualmente, el proceso es simple: sobre superficies limpias, se aplica algúnfundente que facilite la fusión del metal de aporte. En la figura 44 se aprecian potes defundente y metales de aporte, en varillas y argollas.

Figura 44. Fundentesy metales de aporte.




En función de la cantidad y de la fuente de calor que sede, será la diferencia entre técnicas. Bajo la técnica de solderingse encasillan los soldadores eléctricos por resistencia utilizadospara soldar elementos electrónicos con estaño. Incluso, tal comose ve en la figura 45, existen soldadores portátiles, los cuales

por medio de una batería generan calentamientos de hasta500ºC por al menos 30’.

Figura 45. Equipo portátil para soldering.

En caso de aumentar la temperatura, por medio de llama directa, se alcanzantemperaturas de brazing y a través del metal de aporte y fundente, se logran muy

buenas terminaciones superficiales, además de buenas propiedades. En la figura 46 seobserva un detalle en la construcción de un marco de bicicleta, incluso con un detallemicrográfico en donde se aprecia claramente que no hay fusión del metal base.

Figura 46. Marco de bicicleta soldado por brazing.

En caso de producciones en masa, es usual contar con estaciones decalentamiento tales como la que se esquematiza en la figura 47. En estas, la operaciónes continua y la calidad de la misma solo será función de la colocación del fundente ymetal de aporte (figura 44).

Figura 47. Estación continua para soldering y/o brazing.




2.4.9.- CORTE POR CHORRO DE AGUA

Este método también llamado mecanizado hidrodinámico, es capaz de cortar unaamplia gama de materiales, metálicos y no metálicos, utilizando un chorro / jet de aguacon un agregado de partículas abrasivas. El jet pasa a través de una tobera dediámetro entre 0,1 mm y 0,6 mm, y a muy altas presiones, mayores a 200 MPa. Lasvelocidades varían entre 520 y 914 m/s, es decir entre 1872 km/h y 3290 km/h. A estasvelocidades y presiones, el agua con abrasivos erosiona cualquier material. La distanciaentre tobera y material a cortar puede variar entre 0,25 mm y 25 mm; la distanciaóptima generalmente es de 6,4 mm.

Los materiales se cortan limpiamente, no quedan rababas (debido a la altísimavelocidad de corte), no hay presencia de residuos del material mecanizado ylógicamente no hay presencia de temperatura, por lo tanto no hay oxidación.

El equipo, tal cual se ve en la figura 48, consta principalmente de una bomba dealta presión, una pileta que recogerá el agua vertida, el sistema que guíe la tobera por

sobre el material a cortar y la tobera propiamente dicha (figura 49), con la cámara paracombinar el agua con las partículas abrasivas. Es usual que se adapten mesas paracorte por llama de gas, ya que únicamente hay que agregar el sistema de agua apresión.

Figura 48. Mesa típica para corte con chorro de agua.

Figura 49. Tobera para corte con chorro de agua.





En la tabla III se observa la cantidad de materiales que pueden ser cortadosmediante este método, y por este motivo es que se convierte en un proceso de altaversatibilidad; esto significa que se pueden generar cortes sobre maderas, polímeros,metales, cueros, vidrios, cerámicos, etc; también es útil para cortar materialesrecubiertos. De la misma forma, el sistema es fácilmente adaptable a mesas asistidas

por control numérico, consiguiendo de esa forma geometrías particulares. Lastolerancias obtenidas son del orden de +/- 0,1 mm; los procesos de corte por laserposeen menores tolerancias, del orden de 0,001 mm.

Entre las limitaciones del sistema, una fundamental es que la velocidad deavance está directamente relacionado con el espesor del material a cortar; cuantomayor sea el espesor, menor será la velocidad de corte. Otro aspecto fundamental es elinherente a las toberas; estas se deben reemplazar luego de 4 hs. de uso (en algunosequipos con mayor frecuencia), debido al desgaste severo que sufren.

Material Espesor[mm] Velocidad[mm/s] Espesor[mm] Velocidad[mm/s] Espesor[mm] Velocidad[mm/s]

Acero 1010 19,1 3,0

Acero 1045 19,1 2,0

Acero AISI D2 6,4 4,0

Acero SS 316 2,5 25,0 25,4 2,0 101,6 0,5

Aluminio 3,2 17,0 12,7 8,0 19,0 2,0

ABS 2,0 34,0

Bronce 25,4 0,5

Cartón 1,4 102,0 Al2O3 0,6 2,5

Cobre 1,6 15,0 15,9 3,0

Cuero 1,6 1600,0

MC - FV 2,5 85,0 6,4 42,0

Madera 3,2 17,0

Tabla III: Avances para corte con chorro de agua, ≠ materiales y espesores



UNIDAD 3 - MECANIZADO

1.- Introducción, 2.- Máquinas herramientas, 3.- Herramientas de corte, 4.- Controlen máquinas herramientas.

1.- INTRODUCCION

Como ya se aclaró anteriormente, los procesos de fabricación se dividen en dosgrandes grupos: la de los productos semiterminados (laminados, trefilados,extrudados, fundidos (colada continua de perfiles), entre otros) y la de los productosterminados; salvo pocas excepciones, las piezas metálicas llevan involucradasalgunas operaciones de mecanizado.

Lógicamente, la fabricación de una pieza puede, y de hecho generalmenteocurre, combinar varias operaciones de las arriba descriptas. Por ejemplo, si se fundeuna determinada rueda de hierro gris en arena, el lugar en donde se alojará elrodamiento (o rulemán) deberá ir mecanizado ya que es la única manera de asegurar

que el agujero tendrá la medida correcta; por lo tanto se combina una operación defundido y mecanizado.

El mecanizado es una operación de dar forma a una pieza mediante arranquede viruta. Este trabajo siempre se realiza en frío, es decir que no se calienta la piezapara la operación, tal como ocurre en laminado, en forja, o como el calentamiento(por encima de la Trecristalización) en una etapa intermedia en operaciones de embutido.

Los mecanizados pueden ser de dos tipos, siendo estos:

Manuales: para trabajos de poca precisión; en estos trabajos se utiliza el esfuerzofísico del operario y por eso es que las herramientas se denominan 'herramientas demano'

En máquina: para trabajos de precisión, mayor repetitividad y por sobre todo, mayoreconomía; en este caso el operario esta reemplazado por una máquina, la cualdispone de mayor cantidad de energía, por lo que el trabajo se hace con mayorprecisión, velocidad y economía, debido a la mayor productividad. A estas se lasllama 'Máquinas Herramientas'.

El trabajo de mecanizado se puede dividir, en una primera aproximación, endos fases bien definidas, y esto se hace en función de la cantidad de materialremovido:

Desbastado: mecanizados con gran volumen de material removido.

Acabado y/o terminado: mecanizado en donde se prioriza la terminación superficial.

Clasificación de las operaciones según la rugosidad superficial

La rugosidad superficial de una pieza es un aspecto importante de diseño, tantotecnológico como estéticamente. Si las tolerancias superficiales son muy precisas, nopodrá obtenerse en una sola operación (de desbaste); de hecho, es una superficieque se obtendrá combinando un par, o mas, de operaciones. Luego, las operacionesde las máquinas herramientas pueden clasificarse según el grado de perfección de lasuperficie mecanizada:

Desbaste: la superficie obtenida no es muy precisa (aproximadamente una rugosidad

Tecnología I - U3 - Mecanizado - 1



superficial de 100 Ra, equivalente a alturas entre picos y valles de 100μ) y el gradode exactitud exigido no es muy grande; este tipo de operaciones se emplean paraeliminar el exceso de material en su mayor parte, dejando las piezas cercanas a suforma definitiva, con un ligero sobrespesor.

Acabado: la superficie obtenida es mas precisa (aproximadamente 10 Ra derugosidad superficial), pero la operación se realiza en la misma máquina herramientaque la de operación de desbastado. Para que esto ocurra, se varían los parámetrosde mecanizado (generalmente disminuyendo el avance y la profundidad yaumentando la velocidad de corte), obteniendo la superficie con la dimensióndeseada o con un ligerísimo sobrespesor.

Rectificado: la superficie obtenida es de alta precisión (del orden de 1 Ra derugosidad superficial), y se obtiene mediante la remoción de escaso material,mediante el mecanizado de la superficie por medio de una herramienta con filosmúltiples realizado en una rectificadora; la cantidad de material removido, así como

su rugosidad, estará determinado por el tamaño del grano abrasivo de la muelarectificadora.

Superacabado, pulido, lapidado: son operaciones exclusivas de terminación (conrugosidades superficiales obtenidas del orden de 0,05 Ra), donde la piezaprácticamente no varía su dimensión respecto del mecanizado previo. Lógicamente, ypara evitar un esfuerzo inútil, se buscará un mecanizado previo compatible con unaoperación de superacabado; es decir, no se pulirá una superficie desbastada. Estasoperaciones se realizan a menudo manualmente y para ello se utilizan lijas de granoextrafino (lijas Nº400, Nº800, Nº1000 y Nº1600).

Clasificación de las operaciones y formas que con ellas se obtienen

Con el conjunto de una buena y apropiada selección de máquinas se pueden obteneruna gran variedad de trabajos diferentes. Se listarán dichas operaciones en 4grandes grupos, las cuales se observan en la figura 1.

1. Operaciones relacionadas con agujeros: Taladrado, Escariado, Avellanado,Brocado, Mandrinado.

2. Operaciones en superficies de revolución: Torneado, Roscado.

3. Operaciones en superficies planas: Limado - Cepillado, Fresado.

4.

Operaciones en perfiles especiales: Mortajado, Brochado, Dentado.

Maquinabilidad

Se denomina maquinabilidad a la mayor o menor facilidad con que determinadosmateriales sean mecanizados. Este concepto es muy importante cuando se debenrealizar grandes operaciones de mecanizado, dado que materiales que demandenmuchas horas de máquina y/o un alto costo por desafilado de herramientas, nosuelen dar costos rentables. La maquinabilidad es función de una gran variedad defactores, pero los de mayor importancia son: a. Velocidad de corte; b. Dureza del

material; c. Forma y tamaño del corte; d. Presencia de líquido refrigerante.




Figura 1. Diferentes operaciones de mecanizado.

La presencia de líquidos refrigerantes es fundamental en estas operaciones,sobre todo en función de las altas velocidades de corte, y por lo tanto temperaturas,obtenidas en máquinas de última generación. Estos líquidos suelen ser aceitessolubles en agua, tomando una apariencia lechosa (20% de aceite respecto deagua). La idea de esta composición es que el agua se encargue de disminuir lastemperaturas mientras que el aceite disminuya los coeficientes de fricción, tantoentre la pieza mecanizada y la cara de incidencia de la herramienta, así como entrela viruta removida y la cara de ataque de la herramienta; esto se observa en la figura2. Desde ya, es importante disminuir las temperaturas ya que la presencia de estasno solo debilitan a la herramienta de corte, sino que son

capaces de distorsionar la pieza que esta siendomecanizada, además de modificar su microestructura. Enla figura 3 se observan los porcentajes aproximados delcalentamiento producido en el corte si la aplicación delfluido de corte es apropiada.

Figura 2. Fluido de corte: correcta aplicación.

A menudo, y para remover las virutas de la zona de mecanizado propiamente

dicha, se los suele aplicar a presión, a través de bocas direccionales tal como seobserva en la figura 4. El grado de tecnología ya esta tan desarrollado que se están




obteniendo mechas con canales a lo largo del helicoide, de manera de poderrefrigerar el filo de la misma en el preciso momento del corte.

Figura 3. % de calor apropiados. Figura 4. Boquillas direccionales.

2.- MAQUINAS HERRAMIENTAS

Para la fabricación de una determinada pieza, son necesarias las herramientas deproducción; por otro lado, un aspecto muy importante que no se tendrá en cuentaen esta unidad, son las herramientas de control (es decir herramientas de medida,herramientas de trazado y herramientas de verificación y control), que establecen elcontrol dimensional de un procedimiento bajo una especialidad denominadaMetrología.

Las herramientas de producción, son utilizadas ya sea como herramientas demano o como máquinas herramientas. Las primeras, las de mano, se utilizan encasos en donde el rendimiento de la operación de mecanizado no es depreponderancia. Estas a su vez se agrupan en herramientas de sujeción y enherramientas de trabajo. Estas son tan elementales que solo cabe una enumeración:

Herramientas de sujeción: morsas, llaves de boca (fijas y expandibles), pinzas,prensas, etc.

Herramientas de trabajo: limas, sierras, brocas y/o mechas, escariadores, machos yterrajas de roscar, etc.

Por lo tanto, en caso que se necesiten mecanizar con alto rendimiento, ya sea

por grandes superficies y/o gran cantidad de piezas, en definitiva un gran volumende viruta removida, se necesitara de la asistencia de máquinas herramientas. Ladiversidad de procedimientos para trabajar mecánicamente una dada pieza,desprendiendo parte de su material en forma de viruta, requiere de diferentesmovimientos. Los movimientos de cada máquina herramienta se dividen enprincipales, de fijación y particulares. Dentro de los movimientos principales, loscuales se observan en la figura 5, se encuentran los de `corte I` y los de `avanceII`; la penetración de la herramienta respecto de la pieza, indicado comomovimiento de fijación, se indica como `penetración III`. Los movimientosespeciales están ligados a sistematizar, por ej. un avance o un giro, respecto del

movimiento principal de corte.Las principales operaciones de mecanizado, sobre las cuales se ven los




diferentes movimientos, son: Torneado, Taladrado, Fresado, Limado - Cepillado yRectificado.

Figura 5. Movimientos típicos para diferentes tipos de mecanizado.

a. Torneado

La pieza en bruto 1 hace un movimiento giratorio, también llamado movimiento decorte I, mientras que la herramienta 2 hace un movimiento de avance II. Lapenetración III es el espesor mecanizado. En esta operación la herramienta tambiénpuede avanzar, y mecanizar, perpendicularmente al eje de la pieza.

b. Taladrado

La herramienta de corte 2, o broca, recibe dos movimientos simultáneos: unogiratorio, asociado al movimiento de corte I, y uno rectilíneo progresivo, asociado al

movimiento de avance II. La pieza 1 queda inmóvil durante el mecanizado. c. Fresado

La herramienta de corte 2, o fresa, proporciona un movimiento giratorio de corte I,mientras que la pieza 1 se mueve, mediante un movimiento de avance II, progresivay perpendicularmente al eje de giro de la herramienta.

d. Limado - Cepillado

En limadoras, a la herramienta 2 se le otorga un movimiento rectilíneo alternativo decorte I, mientras que la pieza que se trabaja recibe el movimiento de avance II. Enlos cepillos, el que recibe el movimiento de corte I es la pieza, mientras que el

movimiento de avance II lo otorgue la herramienta.




e. Rectificado

La herramienta de corte policortante 2, también llamada muela, recibe el movimientode corte I, mientras que la pieza a mecanizar 1, si es cilíndrica, recibe un movimientogiratorio de avance II (que aumenta, si gira en sentido inverso, o disminuye, si giraen el mismo sentido, la velocidad de corte resultante) y un movimiento de avance IIrectilíneo. En caso de rectificar superficies planas, hay un único movimiento deavance II, siendo este rectilíneo.

Parámetros que influyen sobre el tiempo de máquina

Según los movimientos de corte I, las máquinas herramientas pueden ser divididasen máquinas de movimiento giratorio, tales como tornos, taladros, fresadoras yrectificadoras y en máquinas de movimiento rectilíneo progresivo, tales comolimadoras, cepillos y amortajadoras. Según los movimientos de avance II, estas sedividen en máquinas de avance rectilíneo tales como tornos, taladros, fresadoras y

rectificadoras planas y en máquinas de movimiento de avance giratorio, tales comofresadoras (con asistencia de plato divisor) y rectificadoras de superficies cilíndricas.

Los elementos fundamentales que componen el proceso de mecanizado de losmetales son los siguientes: sobreespesor a mecanizar, profundidad de corte (querespecto del sobreespesor determinará el número de pasadas), el avance, lavelocidad de corte y el tiempo fundamental de máquina (tiempo de trabajo). Cuandose habla de sobreespesor del material a mecanizar, es el mínimo indispensable paraobtener la configuración geométrica, las dimensiones, la precisión y la rugosidadsuperficial deseada. Desde ya que sobreespesores excesivos disminuyen laproductividad del proceso, aumentado el tiempo fundamental de máquina, eincrementa los desgastes de herramientas y de máquinas.

La profundidad de corte, que es el material desprendido por una única pasadade herramienta, es designada por la letra `e` (de espesor mecanizado) y se mide enmm. En el caso de mecanizar superficies cilíndricas:

e = ( d - d1 ) / 2 [mm]

d = diámetro superficie a mecanizar [mm]

d1 = diámetro superficie mecanizada [mm]

En el caso de mecanizar superficies planas:

e = H - h [mm]

H = Altura (ancho, espesor) de la superficie a mecanizar [mm]

h = Altura (ancho, espesor) de la superficie mecanizada [mm]

El avance `s`, determinado por lo que avanza, ya sea la herramienta o lapieza, el sistema respecto del movimiento de corte I y que generalmente se mide en[mm/vuelta] para tornos, fresas y taladros y en [mm/carrera] para limadoras,cepillos y rectificadoras planas, es utilizado para determinar la sección nominaltransversal `f` de la viruta mecanizada; esta es:

f = e . s

La velocidad de corte `v` se entiende como la distancia que recorre el filo de




la herramienta respecto de la superficie mecanizada, en la unidad del tiempo. Estavelocidad de corte, en le caso de un movimiento de corte I giratorio, se indica como:

V = π . d . n / 1000 [mm/min]

n = RPM de giro de pieza (torno) o giro de herramienta (fresadora o taladro)

d = diámetro de superficie mecanizada (torno) o diámetro de la fresa (fresadora)

Esta velocidad, al estar afectada por el diámetro de la pieza a mecanizar, serávariable en aquellos casos en que se modifique el cambio de sección de la pieza. Enun torneado longitudinal de varias etapas, a medida que la herramienta se acerca alcentro, esta velocidad disminuye ya que el `d` es menor; luego, para mantener altala productividad, y en definitiva `v` constante, se debe aumentar el `n` de la pieza.Esto no ocurre en una fresadora, ya que si bien también el movimiento de corte I esde origen rotacional, no existe una variación en el diámetro del implemento y por lotanto `v` es constante; en este caso lo que gira es la herramienta, el `d` a tomar encuenta es el diámetro de la fresa y el desgaste sobre esta se considera despreciable

(este concepto es únicamente válido para hacer una corrección de la velocidad `v`,ya que un pequeño desgaste en una fresa de forma descarta inmediatamente laherramienta). Es por todo esto que no debe confundirse a la velocidad de corte `v`con la velocidad de giro `n` de la máquina herramienta.

El tiempo fundamental de máquina `t` (en este caso se ve sobre unaoperación de torneado) se determina según:

Tf = L . i / n . s [min]

L = Distancia total en [mm] que recorre la herramienta, y que es igual a la carreraactiva o largo de superficie trabajada `l` + carrera de aproximación Δ1 + carrera de

mecanizado Δ2 + carrera de exceso Δ3.i = Número de pasadas que hace la herramienta, es decir el sobreespesor totaldividido por la profundidad de corte.

n = Número de vueltas que da la pieza en un minuto.

s = Avance de la herramienta en mm., por vuelta que da la pieza.

3.- HERRAMIENTAS DE CORTE

La herramienta que se utiliza para mecanizar, basa su geometría en una cuña de

corte. La herramienta mas simple, de filo único (es decir monocortante), es la que seobserva en la figura 6 y es la que se utiliza en tornos, limadoras, cepillos, y utilajesvarios. Esta consta de una parte activa (1), que es la zona de corte, y una parte desujeción, denominada mango (2). A su vez, la cabeza consta de tres planosprincipales, siendo la superficie deataque (3) y las superficies deincidencia principal (4) e incidenciasecundaria (7).

Figura 6. Herramienta monocortante.




La intersección de los planos de la cabeza de la herramienta definen dosflancos: uno de corte principal (5) y uno de corte secundario (8). La intersección delos tres planos definen la punta de la herramienta (6).

Para conseguir que la herramienta corte debidamente al metal y que estamantenga el filo durante un prolongado período de tiempo, es necesario que lassuperficies activas se dispongan bajoángulos determinados. En la figura 7 seobservan los 2 planos principales en elcorte, los que se definen en función de losmovimientos principales. Si bien ladenominación de estos es engorrosa y nose justifica aclararlos, es fundamental quela intersección de estos determinan tresángulos fundamentales, los cuales seobservan claramente en la figura 6.

Figura 7. Determinación de planos yángulos principales.

Angulo de ataque γ: cuanto mayor sea γ, la herramienta será mas penetrante y porlo tanto menores serán las deformaciones que sufran las virutas, menor el esfuerzopara cortar y en definitiva, menor potencia requerida. La contraparte de esteaumento es que se debilita la sección resistente de la herramienta, aumentando laprobabilidad de colapso. Este ángulo se define de acuerdo a las propiedades delmaterial a mecanizar y se encuentra dentro de límites entre -10° y 30°; en caso demecanizar aleaciones de poca dureza (caso de Al, Cu, Cu+Sn (bronce), etc), sepuede incrementar hasta 40°. Tal como se observa en la figura 8, en determinadoscasos se pueden utilizar ángulos de ataque negativos.

Angulo de incidencia α: es el ángulo que evitará el rozamiento entre la herramienta yla superficie mecanizada de la pieza. Este rozamiento es altamente perjudicial ya queademás de incrementar la temperatura del corte (disminuyendo por la tanto la vidaútil de la herramienta), desmejora el grado de acabado superficial obtenido. De lamisma forma que en el caso anterior, un aumento de este ángulo hace que laherramienta sea mas penetrante y se eviten los rozamientos antedichos, perodisminuye la resistencia de la herramienta.

Angulo de filo β: define la sección resistente dela herramienta, evidenciando que a mayor γ y amayor α, definirán un menor β, con elconsiguiente debilitamiento.

Figura 8. Angulos de herramienta.




En función de estos ángulos, la altura de laherramienta respecto de la pieza a mecanizar escrítica. Por esta razón, se suelen utilizar utillajes yherramientas normalizados de tal manera que eloperario no tenga que calibrar la altura de la misma.

En la figura 9 se observa un simple análisis paraoperaciones de torneado.

Figura 9. Altura de herramienta respecto de la pieza.

El mismo análisis es consistente para herramientas de filos múltiples, seanestos discretos o no. Por ejemplo, en el caso de fresas para materiales de bajadureza, se puede apreciar fácilmente la disposición de los ángulos de herramientapara cada filo. En el caso de herramientas de filos múltiples no discretos, por ejemplouna muela de rectificado, el principio de corte es el mismo, solo que en este caso seanaliza bajo micromecanismos de mecanizado, siendo fuertemente dependiente deltamaño y forma del grano abrasivo, independientemente de la dureza del abrasivo yde las propiedades del ligante.

Para fabricar herramientas de corte se utilizan diferentes materiales ytécnicas. A medida que se incrementan las velocidades de corte, los avances, laspenetraciones, los ángulos de herramientas y por supuesto dependiendo del materiala mecanizar, se debe ir adecuando la herramienta necesaria para dicha operación.En el pasado, las herramientas mas usuales eran las de acero al carbono; estas seutilizan para mecanizar materiales muy blandos, talescomo aleaciones de base Sn o base Pb, o parapolímeros y/o maderas. A medida que se mecanizanmateriales mas duros, se suelen utilizar aceros rápidos(bit de Co al 18%, figura 10), aleaciones duras(plaquitas de widia, base carburos de tungsteno (CW)extra duros, figura 11).

Figura 10. Acero rápido.

Figura 11. Placas de widia, CW.




Luego, desde la década del 70 y en plena revolución de la Ciencia de loMateriales, se comenzaron a utilizar materiales compuestos (pastillas de tipo cermets'cerámicos-metales'), luego recubiertas superficialmente con materiales extra duros,tales como los de carburo de titanio CTi, carbonitrurio de titanio CNTi y/o carburosde vanadio CV (figura 12); por último, y lo que se utiliza en la actualidad son

herramientas 100% cerámicas (figura 13). Con widias se pueden obtener velocidadesde corte entre 3-5 veces respecto de las herramientas de acero rápido, mientras quecon plaquitas recubiertas se obtienen Vc del orden de hasta 10 veces mayor respectode las de acero rápido. La desventaja de las tres primeras herramientas (aceros al C,bit’s de Co y widias) es que los ángulos de herramienta los determina el propiooperario mediante afilados manuales.

Figur CNTi, CV).a 12. Cermets con recubrimientos (Cti,

Figura 13. Herramientas cerámicas: hot (izq.) y cold (der.).

Tipos de viruta

Tal como se ve en la figura 14, existen diferentes tipos de virutas. Estas dependerándel tipo de material mecanizado, de la geometría de la herramienta y de las

condiciones de la operación de corte. Generalmente, en el proceso de corte, amedida que se corta el material, la viruta se contrae en su longitud y se ensancha ensu espesor. En el caso de mecanizar materiales tenaces, con gran capacidad dedeformación, la viruta llega a contraerse hasta un 50 % de su longitud; en el caso demateriales frágiles, estas prácticamente no se deforman. En el proceso de corte seforman tres tipos fundamentales de viruta.

Virutas tipo 1: también llamadas por elementos y/o escalonada, se obtienen almecanizar metales tenaces con bajas velocidades de corte. También se genera estetipo de viruta si la Vc es la apropiada pero la penetración de la herramienta es muypronunciada o los ángulos de la misma no son los recomendados.

Virutas tipo 2 : también denominadas continuas, ya sean de espiral o de cinta, sonlas mas recomendadas ya que además de obtener una mejor terminación superficial,




indican que las variables en el corte son las óptimas. Este tipo de viruta no sepresenta en materiales frágiles, por lo tanto es inútil pretender virutas de este tipocon ese tipo de materiales. En el caso de obtener una viruta de tipo 2 de granlongitud, esta puede llegar a incomodar la operación de corte; en ese caso, laherramienta posee un pequeño detalle denominado rompevirutas. Este se ubica

sobre la cara de ataque, alejado convenientemente del filo de ataque, y su misión esromper las virutas, evitando la generación de una 'galleta'.

Virutas de tipo 3: también denominada fraccionada, son típicas de materiales duros

Por último, desde el punto de vista morfológico a las herramientas se las

Figura 15. Roscado con plaquitas de forma.

4.- CONTROL EN MAQUINAS HERRAMIENTAS

ipos especiales para controlar y

y/o frágiles; dicha dureza puede ser producto de la composición química y/o portratamientos térmicos. En el caso de mecanizar un acero que fue previamenteendurecida mediante templado, o en el caso de una pieza de fundición de hierro congrafito libre, se obtienen virutas con longitudes no mayores a 5 mm.

Figura 14. Tipos de viruta.

puede dividir en dos categorías: las de superficie y las de forma. Las herramientas desuperficie tienen la particularidad de obtener superficies propiamente dichas,mientras que las de forma obtienen un transformación con el propio perfil de laherramienta; esto se aprecia claramente en una operación de roscado tal como seobserva en la figura 15. Si las plaquitas no tuviesendicho perfil, será imposible que pueda ajustar la turca adicho bulón. Por otro lado, mas allá de que no se

justifique en función del costo de la herramienta deforma (superior al de una de superficie), dichaherramienta se puede utilizar como herramienta desuperficie. No ocurre lo mismo con una de superficie.

Se define automatización como la aplicación de equefectuar los mecanizados con mínimo o nulo esfuerzo manual. Esto se aplica a todo

tipo de operaciones, desde la obtención de la materia prima hasta la obtención depiezas terminadas. La automatización involucra varios aspectos, desde manipuleos




simples hasta complejos procesos que van desde los primeros mecanizados hasta elpackaging final del producto. Naturalmente, el principal objetivo de la automatizaciónes disminuir los costos de fabricación, controlando la producción y su calidad, asícomo también para evitar operaciones riesgosas que comprometan la integridadfísica de los operarios e inclusive para optimizar espacios físicos dentro de los lay

outs de plantas. Por otro lado, las automatizaciones pueden ser totales o parciales yla opción de utilizar dicha posibilidad debería ser cuidadosamente analizada, dado elevidente alto costo de los equipos, así como la necesidad de establecer una rígidapolítica de mantenimiento de los mismos.

Inicialmente, el factor predominante que condicionó todo automatismo fue elaumen

que no se podían conseguir en cantidad y calidad

uy difíciles de

d de fabricar productos a precios suficientemente bajos.

ontrol numérico - CN

re, es un método de control de movimientos a través de

as herramientas controladas numéricamente son clasificadas deacuerd

rico en máquinas

to de productividad. Posteriormente, debido a las nuevas necesidades de laindustria, aparecieron otros factores no menos importantes como la precisión, larapidez y la flexibilidad. Por lo tanto, las razones fundamentales por las cuales se haimpuesto la automatización son:

- necesidad de fabricar productossuficientes sin recurrir a la automatización del proceso de fabricación.

- necesidad de obtener productos hasta entonces imposibles o mfabricar, por ser excesivamente complejos para ser controlados por un operadorhumano.

- necesida

C

Tal como lo dice el nomb

números, el cual se utiliza desde 1942, ya que surgió lo que se podría llamar elprimer control numérico verdadero, debido a una necesidad impuesta por la industriaaeronáutica para la realización de hélices de helicópteros de diferentesconfiguraciones.

Las máquino al tipo de operación que las mismas realizan y las hay simples como las

controladas en una única dirección (p.e. taladradora) hasta muy complejas, concontrol en tres direcciones, como ocurre por ejemplo en electro erosionadoras. En laactualidad, numerosos esfuerzos se realizan para incrementar el control sin que sedisparen los costos de los equipos, mas allá de que algunas operaciones, a esta

altura del estado del arte, prácticamente serían imposibles de obtener en formamanual. Obviamente, se desarrollaron, se desarrollan y se desarrollarán,innumerables sistemas de programación. Por otro lado, la precisión constante y eluso óptimo previsto del equipo representan ventajas aún mayores. Por ejemplo,tanto los herramentales como las herramientas de corte se desgastan máslentamente, lo que reduce todavía más los costos de fabricación.

Esta evolución hizo que los sistemas de control numéherramientas estén asistidos por softwares computacionales soportados por unaUnidad de Control de Procesos (CPU), lo que define el CNC (Control Numérico porComputadora). Cuando una única unidad soporta varias máquinas herramientas se lo

denomina Control Numérico Directo (CND) y esta denominación esta directamenterelacionada con los Centros de Mecanizado (CM), en donde un CPU puede controlar




hasta 100 herramientas diferentes. Estos CM son capaces de generar piezas muycomplejas y de óptima calidad, con muy bajas tolerancias y por lo tanto con altaestabilidad dimensional. Estos equipos, de gran versatilidad, necesitan de personalaltamente calificado, tanto como para programar las operaciones, como para realizarlas operaciones de mantenimiento.

Sistemas CAD-CAM

a generación han derivado en interfases CAD-CAM (Diseño

de los sistemas CAD/CAM son aprovechadas por losdiseña

Estos avances de últim Asistido por Computadora – Manufactura Asistida por Computadora), que si bien soninterfases de alto costo, permiten la obtención de modelos y/o prototipos de muybuena calidad, mas allá de la alta velocidad de respuesta. La idea de estos sistemases poder caracterizar, como dibujos bi y tridimensionales, tamaño, contorno y formade cada componente. Una vez que estos datos dimensionales han sido introducidos yalmacenados en el sistema informático, el diseñador puede manipularlos o modificar

las ideas del diseño con mayor facilidad para avanzar en el desarrollo del producto. Además, pueden compartirse e integrarse las ideas combinadas de variosdiseñadores, ya que es posible mover los datos dentro de redes informáticas, con loque los diseñadores e ingenieros situados en lugares distantes entre sí puedentrabajar como un equipo.

Las característicasdores, ingenieros y fabricantes para adaptarlas a las necesidades específicas

de sus situaciones. Por ejemplo, un diseñador puede utilizar el sistema para crearrápidamente un primer prototipo y analizar la viabilidad de un producto, mientrasque un fabricante quizá emplee el sistema porque es el único modo de poder fabricar

con precisión un componente complejo. La gama de prestaciones que se ofrecen alos usuarios de CAD/CAM está en constante expansión. Los fabricantes deindumentaria pueden diseñar el patrón de una prenda en un sistema CAD, patrónque se sitúa de forma automática sobre la tela para aprovechar al máximo elmaterial al ser cortado mediante un chorro de agua CNC o un láser CNC. Además dela información de CAD que describe el contorno de un componente de ingeniería, esposible elegir el material más adecuado para su fabricación en la base de datosinformática, y emplear una variedad de máquinas CNC combinadas para producirlo.La Fabricación Integrada por Computadora (CIM) aprovecha plenamente el potencialde esta tecnología al combinar una amplia gama de actividades asistidas por

ordenador, que pueden incluir el control de existencias, el cálculo de costes demateriales y el control total de cada proceso de producción. Esto ofrece una mayorflexibilidad al fabricante, permitiendo a la empresa responder con mayor agilidad alas demandas del mercado y al desarrollo de nuevos productos. La futura evoluciónincluirá la integración aún mayor de sistemas de realidad virtual, que permitirá a losdiseñadores interactuar con los prototipos virtuales de los productos mediante lacomputadora, en lugar de tener que construir costosos modelos o simuladores paracomprobar su viabilidad. También el área de prototipos rápidos es una evolución delas técnicas de CAD/CAM, en la que las imágenes informatizadas tridimensionales seconvierten en modelos reales empleando equipos de fabricación especializada, comopor ejemplo un sistema de estereolitografía.




En una máquina CNC, a diferencia de una máquina convencional o manual,una computadora controla la posición y velocidad de los motores que accionan losejes de la máquina. Gracias a esto, puede hacer movimientos que no se puedenlograr manualmente como círculos, líneas diagonales y figuras complejastridimensionales, ya que son capaces de mover la herramienta al mismo tiempo en

los tres ejes para ejecutar trayectoriastridimensionales como las que se requierenpara maquinados complejos. Estos sistemascontrolan el movimiento de la mesa, delcarro portaherramientas y del husilloportapieza. En la figura 16 se observa unejemplo de programación sobre un monitorde PC.

Figura 16. Mecanizado CAD-CAM.

Un conjunto de órdenes que siguen una secuencia lógica constituyen unprograma de maquinado. Dándole las órdenes o instrucciones adecuadas a lamáquina, ésta es capaz de maquinar una simple ranura, una cavidad irregular, lacara de una persona en altorrelieve o bajo relieve, un grabado artístico un molde deinyección de una cuchara o una botella, etc. Al principio hacer un programa demaquinado era muy difícil y tedioso, pues había que planear e indicarle manualmentea la máquina cada uno de los movimientos que tenía que hacer. Era un proceso quepodía durar horas, días, semanas. Aún así era un ahorro de tiempo comparado conlos métodos convencionales.

Como ya se mencionó, las cuatro variables fundamentales que deciden en labondad de un automatismo son: productividad, rapidez, precisión y velocidad. Deacuerdo con estas variables, se analizará qué tipo de automatismo es el másconveniente de acuerdo al número de piezas a fabricar.

Grandes series > a 10.000 piezas: esta producción está cubierta en la actualidad porlas máquinas transfer, realizadas por varios automatismos trabajandosimultáneamente en forma sincronizada.

Series medias, entre 50 y 10.000 piezas: existen varios automatismos que cubrenesta gama, entre ellos los copiadores y los controles numéricos. La utilización deestos automatismos dependerá de la precisión, flexibilidad y rapidez exigidas. Elcontrol numérico será especialmente interesante cuando las fabricaciones semantengan en series comprendidas entre 5 y 1.000 piezas que deberán ser repetidasvarias veces durante el año.

Series pequeñas < a 5 piezas: para estas series, la utilización del control numéricosuele no ser rentable, a no ser que la pieza sea lo suficientemente compleja comopara justificarse su programación con ayuda de una computadora. Pero en general,para producciones menores a cinco piezas, la mecanización en máquinas

convencionales resulta ser más económica.





Por último, los equipos de control numérico mas sofisticados son losdenominados Sistemas de Manufactura Flexibles (SMF), que constan de variascélulas de fabricación independientes, las cuales asistidas con un gran CPU y uno ovarios brazos robotizados, generan el flujo progresivo de las partes desde el iniciohasta el final del proceso. La utilización masiva de estos equipos ha derivado en

plantas de tipo “Light-Out”, es decir de grandes naves pero sin instalacionestradicionales de iluminación, ya que no hay operarios; naturalmente, en caso quehagan falta acciones con presencia humana (imprevistos, mantenimientos, etc.), lasmismas se realizan asistidas por potentes sistemas portátiles de iluminación.



UNIDAD 3.1. - TORNEADO

3.1.1. - Introducción, 3.1.2.- Aspectos elementales del torno, 3.1.3.- Operaciones enel torno, 3.1.4.- Clases de tornos.


El torneado es una de las operaciones de mecanizado de mayor importancia. Si biense pueden obtener planos mediante operaciones de frenteado, la justificación de estemecanizado es para piezas con superficies de revolución. Se pueden reconocerpiezas torneadas varios siglos atrás, aunque solo a principios del siglo XX se pudieronmecanizar piezas metálicas.

Fundamentalmente el torno hace girara la pieza a mecanizar y mediante unaherramienta monocortante fija, se le va dando la forma. Esta operación es muysimilar al alesado, ya que en cierta forma es un torneado de interiores.

3.1.2.- ASPECTOS ELEMENTALES DEL TORNOEl torno paralelo es el torno mas simple y conocido. Consta de una bancada, de uncarro porta herramientas y de dos cabezales: uno fijo y otro móvil. Un esquema seobserva en la figura 1.

Figura 1. Torno paralelo.

El cabezal fijo, tal como se observa en la figura 2, se denomina así ya quepermanece fijo a la bancada. Y si bien así se lo define, es el distribuidor del másimportante movimiento del torno a través de su propia rotación definiendo la

Velocidad de corte I; además es donde se sujeta la pieza a mecanizar. Sufuncionamiento será suave y de esa cualidad dependerá en parte el grado determinación superficial de la superficie obtenida. El cabezal en si consta de un eje deacero templado, que además de tener alta tenacidad, tiene alta dureza y por lo tanto

Tecnología I - U3.1 - Torneado - 1



resistencia al desgaste. Este eje recibirá elmovimiento del motor y lo transmitirá alplato que sujeta la pieza.

Figura 2. Cabezal fijo (atrás) ycabezal móvil (1er. Plano).

Los platos porta piezas serán de mordazas o de arrastre. Los platos demordazas, de 3 o 4 según la pieza a sujetar, son muy versátiles. El de 3 mordazas(figura 3) esta diseñado de tal manera que las mordazas avanzan progresivamente,lo que produce sobre la pieza a ajustar un autocentrado bastante preciso;generalmente esta acotado para la sujeción de piezas cilíndricas. Nótese que si sedesea ajustar un redondo, las mordazas avanzarían hacia el centro del plato hastatomar interferencia con el redondo y por lo tanto sujetarlo; en el caso de necesitarajustar un tubo, se deberán alejar las mordazas del centro del plato, hastaencontrarse con las paredes interiores del tubo, y ahí generar el ajuste. El de 4mordazas (figura 4), al ser estas operadas individualmente, permite sujetar piezas nocilíndricas. Pero en caso de necesitar operaciones en donde se deba asegurar uncentrado mas preciso, generalmente se ajusta con brida y plato de arrastre (figura5). Esto se logra por medio de sendos puntos que se le hacen a la pieza a mecanizar,

y la misma se sujeta mediante un punto fijo alcabezal y otro en la contrapunta. El movimiento ensi esta otorgado a través de una brida que vasolidaria a la pieza y es arrastrada por un pernosujeto al plato de arrastre.

Figura 3. Plato 3 mordazas autocentrante.

Figura 4. Plato de 4 mordazas, cadauna de accionamiento individual. Figura 5. Plato de arrastre con brida.




El cabezal móvil, tal como se ve en la figura 2, es el dispositivo que sirve parasujetar la pieza por el extremo opuesto al del cabezal móvil. Su característica es laposibilidad de poder desplazarse a lo largo de las bancadas y la sujeción con la piezase realiza a través de una contrapunta, que como se observa en la figura 6, puedeser fija o móvil (rotativa). Si la contrapunta no gira, deberá engrasarse la punta que

este en contacto con la pieza, de forma tal de evitar el incremento de temperaturapor la fricción entre superficies; existen por lo tanto puntos giratorios, ygeneralmente los mismos sobre rodamientos de rodillos. La contrapunta consta deun cuerpo principal, una manivela que otorga el avance al punto y los bulones quefijan el dispositivo a la bancada. En algunos modelos de torno, y tal como se ve en lafigura 7, puede tener la habilidad de desplazarse en el sentido transversal a la

bancada, de forma tal de generar un corrimientode centros entre puntas, y por lo tanto permitirun mecanizado cónico. A la contrapunta tambiénse la puede utilizar como cabezal

portaherramientas en casos de taladrado,mandrinado y otras tareas capaces de realizarseen el torno.

Figura 6. Contrapunta móvil y fija.

Figura 7. Contrapunta “desbancada” para obtener mecanizados cónicos.

(torneado frontal). El porta

El portaherramienta (figura 8), tiene dos funciones elementales. La primera esla perfecta sujeción de la herramienta mediante la torre del mismo. La otra funciónes generar los movimientos necesarios para determinar el avance, ya sea estelongitudinal (torneado periférico) ó transversalherramientas se compone de tres partes principales:

- la torre portaherramienta: sobre esta se amordazan una o varias herramientas,gracias a un juego de tornillos estratégicamente localizados. Cuenta con una llaveque permite la rotación de la misma de tal forma de poder seleccionar la herramientadeseada. Además, tiene la posibilidad de deslizarse por la dirección A-B, otorgadoeste desplazamiento por la manivela; se debe notar que este avance es de paso fino,

mientras que el avance otorgado por el carro longitudinal es de paso grueso.Generalmente, la posibilidad de este avance, en el carro porta herramientas, siempre




es manual; el avance automático, por lo tanto, esta generado por el desplazamientode todo el portaherramientas a través del carro longitudinal. Volviendo a la torreportaherramientas, tiene la posibilidad de rotar, de tal forma de poder obtenermecanizados cónicos. Esta rotación se genera aflojando un juego de tuercas que van

uede ser manual, mediante la manivela o automático mediante la barra

cia entre la herramienta y el redondoroscar.

Figura 8. Carro portaherramienta.

que a veces a la pieza se

ulados en función al diámetro de laieza a mecanizar.

Figu iones por flexión durante el corte.

solidarias al carro transversal.

- el carro transversal, que posee un movimiento según la dirección C-D. Estemovimiento, perpendicular el eje de la pieza a mecanizar, permite el frenteado deesta. El desplazamiento se realiza sobre guías tipo ‘cola de milano’ (estas se justificanpara asegurar desplazamientos con juegos mínimos). La aplicación de estemovimiento pde cilindrar.

- el carro longitudinal, que produce en definitiva el movimiento de avance. Esto esposible gracias a una cremallera que va solidariamovimiento puede ser manual, a través del

volante o, automáticamente, de la misma formaque el carro transversal, a través de la barra decilindrar. Este carro tiene la habilidad deavanzar con distintos pasos, de tal forma depoder mecanizar todo tipo de roscas posibles.Es decir, el paso del filete estará determinadopor el avance del carro longitudinal, mientrasque el ángulo del filete lo definirá el filo de laherramienta y la profundidad, por lainterferen

a la bancada de la máquina. Este

a

Es intuitivo reconocer que los esfuerzos de corte involucrados en estetipo de operaciones son de gran importancia, por lo que las piezas, si son muyesbeltas, tienden a deformar por flexión. Es por ese motivo

la posiciona con la contrapunta, para que la misma noquede en “voladizo”; en caso de ser aún mas esbelta, y sibien con la asistencia de la contrapunta aún sigueflexionando, a la pieza se la asiste con un dispositivo, quese desliza a lo largo de la bancada y que se denomina

“luneta” (figura 9). Tal como se observa, los puntos decontacto serán regp

ra 9. Luneta regulable (bancada y∅

pieza) paraevitar deformac




Potencia en el torno

Desde ya que la potencia consumida en la operación será función del material amecanizar, de la velocidad tangencial o Velocidad de corte I, de la Velocidad deavance II, de la penetración y de los ángulos de la herramienta. Las capacidades depotencia de un torno van desde fracciones de HP (típicos tornos de relojería) hastamas de 200 HP, siendo generalmente estos tornos de tipo vertical y para piezas muy

te se observa que cuanto mayor es el avance, menor será la velocidad derte.

ego, cuanto mas dúctil es el material, mayores podrán ser las velocidades de corte.

a 11); estaodrá ir montada en el carro porta herramientas o sobre la contrapunta.

pesadas, de mas de 200 kg.

Para determinar las velocidades óptimas hay una serie de tablas y curvas quedefinen las mismas en función del desgaste del flanco de la herramienta; estas sonpara cada tipo material. Significa que si uno trabaja con velocidades normalizadas, eldesgaste de la herramienta no será prematuro. Sin embargo, si por algún motivo sedesea aumentar la velocidad de rotación (p.e. para cambiar la rugosidad superficial)o incrementar la penetración (p.e. para disminuir el número de pasadas dedesbaste), la herramienta tendrá una mayor tasa el desgaste que la normal. A su

vez, estas tablas y curvas son función del tipo de material de herramienta y eselemental que una herramienta de corte con un recubrimiento superficial de CNTi(carbonitruro de titanio) será mucho mas resistente al desgaste y por lo tanto podráser utilizada a mayores velocidades y penetraciones (por ende a mayorestemperaturas) que una herramienta de Acero al Cobalto. En las curvas, las cuales serealizan para el mismo tipo de herramienta, para mantener una vida de herramientaconstanco

Las velocidades de corte y de avance son para vidas de herramienta de 60';lu

3.1.3.- OPERACIONES EN EL TORNO

Son varias las tareas que se pueden realizar en el torno y en las siguientes figuras seobservan configuraciones elementales. El cilindrado exterior es la operación massencilla, la que justifica al torneado en si mismo (figura 10). Se observa además queen el caso de torneado en interiores, la capacidad de mecanizado estará determinadopor la longitud de la herramienta, que lógicamente será esbelta (figurp

Figura 10. Cilindrado. Figura 11. Cilindrado de interiores.




En la figura 12 se observa una operación de frenteado y en la figura 13 unmecanizado cónico, pero obtenido a través del desplazamiento del carro que soportaa la torre portaherramientas.

Figura 12. Frenteado.

es inadmisible realizar un mecanizado de superficie conuna herramienta de forma.

iones posibles de obtenerse en un torno.

Figura 13. Obtención superficie cónica.

En la figura 14 se observan múltiples operaciones que pueden realizarse conel torno. Desde las que se observan en las figuras anteriores, aún con pequeñasmodificaciones, así como otros mecanizados, tales como los alesado o el taladrado,que de otra forma sería necesario no solo contar con la máquina herramienta, sinoajustar la pieza a mecanizar, con las consecuentes pérdidas de tiempo. Se debenotar que si bien es posible obtener un mecanizado de forma con una herramientade superficie, siempre será mas preciso y económico utilizar una herramienta de

forma. De la misma forma,

Figura 14. Diversas operac




Y en función de dichas operaciones, la selección de la herramienta apropiadaserá crítica. En la figura 15 se observan las geometrías elementales de lasherramientas, concebidas desde ya para cada caso de mecanizado en particular.Estas herramientas, que como ya se ha visto, tiene ángulos perfectamenteestablecidos y están diseñadas para parámetros de corte ajustados; es por este

motivo que los tornos tienen ampliasrangos en operación, tanto en velocidadesde corte I como en velocidades de avanceII. En tornos tradicionales, generalmentelas revoluciones del plato no superaban las1500 rpm; tornos de última generaciónmecanizan con velocidades superiores a las8000 rpm. En función de estas velocidades,y por ende la gran cantidad de virutare

uidos de corte. De la misma forma, y para

Figura 15. Diferentes herramientas, cada

el, en este tipo de operació

perficie moleteada y su herramienta de deformación.

movida, es indispensable la asistencia de

flpoder mecanizar roscas con diferentespasos, los avances están prestablecidos,con mas de 40 subrutinas diferentes.

una concebida para una tarea diferente.

Como particularidad, en la figura

correspondiente herramienta. Entipo (típica de herramientas de mano),deformabilidad. Por otro lado

16 se observa un mango moleteado y su

caso que se desee obtener una terminación de estematerial a deformar deberá ser de alta

n no hay pérdida de viruta.

Figura 16. Su

3.1.4.- CLASES DE TORNOS

Debido a la versatibilidad de las tareas a realizar, los tornos se construyen en

modelos muy diferentes, constituyendo entre ellos verdaderas clases. Para tener unaidea de esto, en función de los tamaños hay tornos de hasta 25 metros de longitud




entre puntas, así como operaciones de torneado sobre ruedas de aluminio de mas de3 metros de diámetro.

Tornos de poleas o engranajes

que acoplado a una polea, transmite el movitipo según los esfuerzos requeridos) a otra polea quevelocidades y esta al cabezal fijo. En casono haya pérdidas de sincronismos entre polengranajes. En la figura 17, un torno trafigura 18, un mini-torno de me

: son los mas conocidos, con un motor eléctrico

miento a través de correas (de distintoa su vez asiste a la caja de

e

rnos copiadores: son tornos que en función iamenteecanizado, el operario recorre el modelo enta vaecani jemplo son las

tilizad , sobre todosquem figura .

Figura 19. Esquema de funcionamiento. Figura 20. Torno copiador.

Tornos revolver: son tornos en donde la contrapunta es sustituida por otra torreporta herramientas. Facilitan aquellas tareas en donde se necesitan gran cantidad de

de ser tornos de alta potencia, y para queas, la transmisión se realiza a través de

dicional de 1,80 m entre puntas y en lasa, con 0,2 m entre puntas.

Figura 17. Torno de taller. Figura 18. Torno de banco.

To de un original prev con un seguidor y una herrami

mas elemental del funcionamientocerrajeros para reproducir llaves. Son ampliamente

para tornados de todo tipo de patas.19; en la figura 20, un torno copiador

mm zando la pieza a copiar; el e

os en las carpinteríasáticamente se lo observa en la

máquinas que poseen losuE




operaciones de mecanizado por pieza. En general, las operaciones siguen siendoanuales. También figura 21.

por 'Tornos deontrol Numérico' y/o 'Centros deecanizado' (figura 23).

Figura 22. Torno automático.

Figura 23. Torno CNC.

m se los denomina tornos múltiples. Se observa en la

Figura 21. Detalle de torre porta herramienta de un torno revolver.

Tornos automáticos: son similares a los tornos revolver, pero en estos tornos, laoperación es totalmente automática. Sin embargo, la forma de automatizar laoperación es a través de levas que son muy complicadas de obtener. La idea es queun seguidor vaya recorriendo la leva y por lo tanto defina distintas operaciones,desde abrir las mordazas del plato autocentrante y hacer avanzar al material amecanizar, hasta hacer avanzar una herramieun nuevo ciclo (figura 22). Justificándose pahan sido desplazados

nta de tronzar, y luego del corte, iniciarra lotes muy numerosos, estos tornos

CM




Tornos al aire: todavía horizontales, a estos tornos se los utiliza para piezas degran tamaño, y llegan a cont

figura 24.

Figura 24. Torno al aire.

herramientas, de la misma forma,corren verticalmente; se observa en la figura 25.

Figura 25. Torno vertical.

ar con platos de hasta 2 m. de diámetro; se observa enla

Tornos verticales: en estos tornos, el eje de rotación de la pieza es vertical. Seutiliza para grandes piezas, de mucho peso, por encima de 500 kg,, ya que son masfáciles de ajustar, ya que van directamente apoyadas sobre el plato, ubicado enforma horizontal y a poca distancia del suelo. Las




UNIDAD 3.2. - FRESADO

3.2.1.- Introducción, 3.2.2.- Tipos de fresas, 3.2.3.- Clases de fresadoras.


El fresado es una operación de mecanizado orientado en la remoción de viruta desdetodo tipo de superficies, y obteniendo, en la mayoría de los casos, superficies planas. Elcorte es generado por una herramienta de con filos múltiples discretos girando sobre simisma alrededor de un eje; a su vez, y a medida que gira la misma, avanza la piezaofreciendo de esa manera material a desbastar. Dicha herramienta, denominada

“fresa”, puede adquirir variadas formas, siempre en función del mecanizado a realizar.Según las condiciones de trabajo, las fresas pueden ser fabricadas de acero al carbono(para el caso de mecanizado de metales blandos), de aceros rápidos o aleados (parametales de mayor dureza) o con dispositivos para poder sujetar plaquitas duras, de tipowidias, cermets o recubrimientos duros de CTi, CW, etc. (para altas velocidades decorte y con alto grado de terminación superficial).

Hay dos tipos de fresado: periférico y frontal (Figura 1).

Fresado periférico: el mecanizado se produce con la periferia de la fresa, la cual tienedientes helicoidales para disminuir los esfuerzos de corte y extender la vida útil de laherramienta. Se da en fresadoras de eje horizontal.

Fresado frontal: el mecanizado se da por efecto de filos que se encuentran en el fondode la herramienta, asi como en la periferia. En caso de ser fresas de disco de buendiámetro, permite fresar grandes superficies con una única pasada; en caso de serfresas de espiga, son mecanizados de forma. Se da en fresadoras de eje vertical.

Figura 1. Fresado periférico (de eje horizontal) y frontal (de eje vertical).

A su vez, el fresado periférico puede ser en oposición o en concordancia (figura2). En oposición, el sentido de avance de la pieza es contrario al sentido de rotación dela herramienta. La viruta es cortada desde un principio con un avance casi nulo(avance→0 y por ende un mínimo esfuerzo), finalizando el corte con un máximoesfuerzo (ya que el avance→max); luego, se produce un vibrado cuando el diente de lafresa deja la pieza (el cual se transmite a la pieza desmejorando la terminaciónsuperficial). Generalmente es el sistema mas utilizado ya que la fresa, al oponerse alsentido de avance de la pieza, elimina el juego durante el trabajo. En fresado enconcordancia, se tiene una mejor terminación superficial, pero menor precisión en las

Tecnología I - U3.2 - Fresado - 1



dimensiones obtenidas. Por lo tanto, y en función del plano de la pieza, se elegirá eltipo de fresado.

Figura 2. Fresado periférico en oposición y en concordancia.

En el fresado periférico, el volumen de material removido por unidad de tiempo(en este caso un minuto) es:

Vviruta removida fresado periférico = Sm . b . e [mm3 /min]

Sm = avance por minuto [mm/min]b = ancho de la fresa [mm]e = profundidad de pasada [mm]

Además, el avance será:

Sm = Sv . n = Sz . z . n

Sv = avance de la pieza por vuelta de herramienta [mm/RPM]

Sz = avance por diente de herramienta [mm/diente]z = número de dientes por herramientan = número de revoluciones por minuto [RPM]

En el caso de un fresado frontal, el volumen de viruta removida es:

Vviruta removida fresado frontal = Sm . A . e [mm3 /min]

Sm = avance por minuto [mm/min] A = longitud del arco de corte abarcado por la fresa [mm]

Según la profundidad de fresado e y el número de dientes z que tiene la fresa,podrán trabajar simultáneamente diferentes números de dientes; significa que a mayor

número de dientes y a mayor profundidad, mayor cantidad de viruta removida.La velocidad de corte en una operación de fresado se elige en función del

material a mecanizar, la calidad del material de la fresa, el diámetro de la fresa, laprofundidad de corte, el ancho de la fresa, el avance por cada diente de la fresa, laresistencia admitida por las fresa y por último, por la calidad del líquido refrigerante.

El tiempo fundamental de máquina tf [min], que se gasta en una pasada, sedetermina por:

tf = L / Sm = (l + y1 + y2) / Sz . z . n [min]

L = distancia total que recorre la pieza al desplazarse [mm]

l = longitud de fresado activo [mm]y1 = ataque, o longitud previa al fresado activo [mm]




y2 = exceso, o longitud posterior al fresado activo[mm]

De la misma forma que en las herramientasmonocortantes, los ángulos son similares: ataque,filo e incidencia (figura 3).

Figura 3. Angulos de herramienta.

3.2.2. TIPOS DE FRESAS

Si bien hay varios tipos de fresas pero se pueden dividir en herramientas de superficie yen herramientas de forma. Las mas usuales (teniendo en cuenta que una fresa desuperficie en algunos casos puede ser utilizada como herramienta de forma) son:

Fresas cilíndricas

Generalmente se utilizan para la generación de superficies planas y pueden tenerdientes rectos o helicoidales (Figura 4). En el primer caso, es decir en el caso de fresasde dientes rectos, cada diente corta al material en toda su longitud, por lo que seproducen tirones que empeoran la calidad de la superficie obtenida. En el caso de lasfresas de diente helicoidal, estas poseen tal forma que al cortar el material lo hacenpaulatinamente y por lo tanto el corte es mas suave; además, facilita la salida lateral dela viruta. Para evitar la generación de un esfuerzo uniaxial, propio de los dienteshelicoidales (ya sean fresas, engranajes, etc.), se suelen acoplar fresas con dientes deinclinación opuesta eliminando de ese modo dicho inconveniente (figura 5). Es usualque estos filos posean 'rompevirutas', cuya función es cortar la viruta, impidiendo lageneración de ovillos; este detalle únicamente se debetener en cuenta cuando se mecanizan materiales dúctiles,es decir con gran capacidad de deformación y por lo tantocon posibilidad de no generar fisuras, sobre las mismasvirutas, que la seccionen. Tal como se observa en la figura6, la cantidad de filos de la fresa será función de lamaquinabilidad del material a mecanizar.

Figura 4. Fresa cilíndrica de

dientes helicoidales

Figura 5. Fresa cilíndrica de dientes helicoidales opuestos.

Figura 6. Fresa cilíndrica para materiales debaja (izq.) y alta (der.) maquinabilidad.




Fresas cilíndricas frontales

Se utilizan para el mecanizado simultáneo de dos superficiesperpendiculares entre si. Poseen dientes tanto en la periferiacomo en la superficie frontal (Figura 7); estas se puedenconsiderar tanto como herramientas de superficie como deforma. En el caso de tener un perfil característico entresuperficies, la herramienta se considera de forma.

Figura 7. Fresa cilíndrica frontal.

Fresas cilíndricas de disco

Generalmente son herramientas de forma; se utilizan para mecanizar entallas, ranuras,chaveteros, alojamientos, etc; también se utilizan para hacer cortes. Para disminuircostos y aumentar la vida útil de la herramienta, se suele contar con porta insertos quepermiten sujetar las herramientasde corte propiamente dichasmediante algún tipo de sujeción. Enla Figura 8 se observa granvariedad de herramientas y susoperaciones.

Figura 8. Fresas de disco.

Fresas frontales

Son fresas de superficie, a las cuales se las utiliza enfresadoras de eje vertical. Su capacidad de corte será

función del diámetro de la misma. En la figura 9 se observauna fresa frontal porta insertos; estas herramientas(plaquitas) son reposicionadas a medida que van perdiendoel filo.

Figura 9. Fresa frontal.

Fresas de espiga

Clasificadas como típicas herramientas de forma, estas son fresas cilíndricas frontalesde diámetro pequeño, las cuales se utilizan para el mecanizado de entallas, chaveteros

y/o fresado de superficies laterales (Figura 10). En la figura 11 se aprecia elmecanizado de un chavetero sobre un eje mediante una fresa de espiga.




Figura 10. Diferentes fresas de Espiga.

Figura 11. Mecanizado dechavetero con fresa de espiga.

Fresas de forma

Este tipo de fresas se utilizan únicamente cuando se necesita un perfil de superficiemecanizada, el cual se deba obtener con una herramienta especial. Se usanespecialmente para el fresado de guías prismáticas; las mismas tendrán la forma que elperfil del diente de la fresa que las mecanizó (Figura 12), siendo el caso mas típico elde la guías tipo “cola de Milán”. Si bien generalmente estas guías van rectificadas a suvez con una muela de forma, el desbaste previo se realiza con una fresa de forma.

Figura 12. Fresas de forma.

Lógicamente son herramientas delicadas y una pérdida de filo hace que, en casode ser reafiladas sobre los filos de la forma, las mismas queden inutilizadas.

Cabe aclarar que las fresas pueden actuar individualmente o acopladas entre si,posibilitando crear herramientas de forma a través de herramientas de superficie. En la

figura 13 se esquematiza el acople de dos fresas de disco con una de superficie. Elnúmero de fresas que trabajen simultáneamente estará determinado por la potencia dela fresadora en cuestión.

Figura 13. Fresa simple (izq.) y acopladas (cen. y der.)




3.2.3.- CLASES DE FRESADORAS

Con una fresadora, aparte de generar superficies, mecanizar agujeros, realizar cortes,crear engranajes y varias tareas mas, todas realizables en función del universo defresas disponibles, se pueden realizar tareas de afilado, rectificado, copiado, etc. Estasmáquinas son de aplicaciones múltiples e indispensables en los talleres mecánicos. Elmovimiento principal es el de rotación de la fresa, montada y fijada sobre el árbolprincipal; dicha velocidad debe poder variarse a voluntad, en función de los distintosdiámetros y materiales. Los otros movimientos (longitudinal [x], transversal [y] yvertical [z]) deben ser realizados por la pieza. La pieza se coloca sobre una morsa (omordazas) que apoya sobre una mesa (generando los movimientos [x] e [y]), la cual seapoya sobre una ménsula (posibilitando [z]). Es fundamental comprender que estosmovimientos son reversibles, ya sea el de rotación o los tres de traslación.

Según la movilidad de sus elementos, o la forma característica de su trabajo,estas se dividen en tres grandes grupos:

- Fresadoras horizontalesSe caracterizan porque su eje portafresas es paralelo a la mesa.

- Fresadoras verticales

El husillo, es decir el eje donde irán las fresas, es perpendicular a lamesa.

- Fresadoras universales

Adoptan ambas formas (horizontal y vertical). Se hace por medio deaccesorios. También se pueden utilizar cabezales especiales.

Fresadora horizontal

La Figura 14 representa una fresadora horizontal. Consta de un gran bastidor quegeneralmente es de fundición gris y soporta todos los mecanismos de la máquina en si.En la parte superior lleva una guía en donde se acopla la corredera, la cual si bien estarígidamente acoplada al bastidor, puede desplazarse en caso que haga falta. En lapunta de la corredera se ubica una luneta, la cual evita el desplazamiento del ejeportafresas. Sobre este eje se ubica lafresa y un mal ajuste de la fresa, o unmal funcionamiento del husillo, es

garantía segura de un trabajodefectuoso. El otro grupo de mecanismosesta conformado la mesa de trabajo lacual se desliza por una guía vertical. Lasujeción de la pieza a la mesa es posiblegracias a las ranuras en forma de "T" queposee la mesa.

Figura 14. Fresadora de eje horizontal.




A su vez, la mesa va montadasobre un carro que se mueve en formatransversal al eje portafresas, el cual sepuede accionar en forma manual o enforma automática. Por último, el sistemase apoya sobre otro carro, el cual sedesliza en forma paralela a la direccióndel eje portafresas. El detalle de loscarros se observa en la figura 15. En lafigura 16 se observa una fresadora deeje horizontal.

Figura 15. Detalle constructivo de los carros porta piezas.

Figura 16. Fresadora de eje horizontal.

Como las energías de corte suelen altas,para que no haya vibraciones sobre la fresas, alsistema luneta / corredera se lo puede rigidizar

mediante parantes deslizantes que relacionan adicho sistema con el sistema porta piezas (figura17).

Figura 17. Fresadora horizontal con parante rigidizador.

Fresadora vertical

Este tipo de fresadoras son similares a las anteriores pero el giro de la

herramienta se da a través de un eje vertical. En la figura 18 se observa el esquema deuna máquina de este tipo y la gran diferencia con las fresadoras de eje horizontal es




que en las verticales la mesa porta piezas no se desplaza en el sentido vertical; esemovimiento esta dado por el cabezal portaherramienta. En la figura 19 se observa unamáquina real y de última generación, en la que losmovimientos de la mesa están dados por motores

paso a paso, los cuales desplazan 25 μm por paso.

Figura 18. Esquema de una

dora de ejefresavertical.

Fresadora de eje vertical.

una fresadora de eje vertical asistidaor CN.

Figura 20. Fresado de una matriz de soplado.

ipo que puede hacer rotar

ide sobre un eje, en definitiva unaroca de gran tamaño.

Figura 21. Plato divisor.

Figura 19.

En la figura 20 se aprecia el mecanizadode una matriz de soplado para polímerosmediantep

Un sistema complementario a las operaciones de fresado se obtienen mediantela asistencia del “cabezal divisor” (figura 21). Este es un equa una pieza que va a estar posicionada entre puntas, ynaturalmente dicha rotación va a estar relacionada con elavance de la pieza. En la figura 22 se observa elmecanizado de un helicob





Figura 22. n otorgadaa través de brida de arrastre y cabezal divisor.

ltimo, las fresadoras de cabezales múltiples son

Figura 23. Fresadoras de u

iversal, en donde el cabezal puede

uede ser utilizada de forma horizontal o vertical.

Figura 24. Fresadora universal.

Mecanizado de un helicoide asistido por rotació

En caso que sea necesario, se pueden optar por fresadoras específicas, talescomo las que se observan en la figura 23. Si bien las fresas copiadoras fueron útiles,hoy en día han sido reemplazadas por sistemas de CN. Las fresadoras de bandera secaracterizan por poder barrer toda la superficie de trabajo; el inconveniente, la pérdidade rigidez en la operación. Por úutilizadas mecanizados específicos.

so específico.

En la figura 24 se observa una fresadora unposicionarse según dos formas, de manera quep



UNIDAD 3.3. - LIMADO

3.3.1.- Introducción, 3.3.2.- Máquinas limadoras, 3.3.3.- Máquinas cepilladoras, 3.3.4.-Mortajadoras, 3.3.5.- Brochadoras.


El limado es un tipo de mecanizado típico para obtener superficies planas y tambiénpara obtener ranuras rectilíneas a lo largo de un plano. La particularidad de estemecanizado es que, comparados con tornos, fresas o taladradoras, el movimientoprincipal de corte es de tipo rectilíneo alternativo, mientras que el avance no escontinuo sino periódico, y este se efectúa luego de cada carrera activa del movimientoprincipal. Si bien hay un importante grupo de máquinas herramientas que mecanizanbajo el concepto de limado, se hará referencia a limadoras, cepillos, mortajadoras ybrochadoras. La diferencia entre limadoras y cepillos es que mientras en las limadoraslo que se mueve es la herramienta, en los cepillos lo que se desplaza es la pieza.Respecto del avance, en las limadoras el corrimiento esa dado por la mesa porta-pieza

(es decir, por la pieza) mientras que en los cepillos lo que se desplaza es laherramienta.

Este tipo de mecanizado en máquina herramienta está ligado a una solicitaciónde impacto generada sobre la herramienta cuando esta entra en contacto con la pieza.Esta solicitación de impacto está relacionada con la dureza del material a mecanizar,con la penetración de la pasada y con la velocidad de corte; estos golpes, a menudoprovocan la rotura de la herramienta. Luego, las herramientas serán mas robustas quelas utilizadas en operaciones de torneado.

El avance s [mm/carrera] es el desplazamiento en sentido transversal realizado

por la pieza (en las limadoras) o por la herramienta (en los cepillos).De la misma forma que en las operaciones de torneado, la velocidad de corte en

operaciones de acepillado es:

v = n . L . ( 1 + m ) / 1000

n = Número de carreras dobles (ida y vuelta) por minuto.L = Distancia total recorrida por la mesa.m = Relación de velocidad entre carrera activa (ida) y pasiva (vuelta).

En operaciones de limado, la velocidad de corte está directamente relacionadocon la longitud de recorrido de la herramienta. Es decir, a mayor longitud de carrera

activa, menor velocidad de herramienta.El tiempo fundamental de máquina para la operación es:

tf = B / n . s = b + y1 + y2 / n . s

B = Distancia recorrida por herramienta (cepillos) o mesa (limadoras) en dirección delavance.n = Número de carreras dobles (ida y vuelta) por minuto.s = Avance.b = Ancho de la pieza.y1 = Longitud de corte activa.

y2 = Aproximación y exceso del corte.

Tecnología I - U3.3. - Limado - 1



Herramientas de limado - acepillado

Tal como se ve en la figura 1, las herramientas para este tipo de operación pueden serrectas o curvadas. De la misma forma que en casos anteriores, estas se dividen enherramientas de superficie y en herramientas de forma. En las figuras 1.a y 1.b seobservan operaciones similares pero realizadas en un caso con una herramienta recta yen otro con una herramienta curva. Esto se justifica debido a que la herramienta conperfil curvo puede tener ángulos de ataque menos pronunciados y por lo tanto laherramienta ser mas resistente; estas herramientas, ambas de superficie, son muysimilares a la utilizadasen operaciones detorneado.

Figura 1.

Herramientas de corteacepilladopara limado -

La herramienta que se observa en la figura 1.c se utilizada en operaciones dedesbastado fino, es decir cuando se necesita una buena terminación superficial. Estascortan capas finas de metal, siendo a su vez estas muy resistentes a las cargas deimpacto debido al perfil propio de la herramienta. Por último, se observa unaherramienta de forma (figura 1.d) que, aparte de poder mecanizar una ranura con unaforma específica, es capaz de cortar una porción de material; en este caso no se

comportaría como una herramienta de forma sino como una herramienta de superficie.

3.3.2.- MAQUINAS LIMADORAS

En las limadoras, como lo que se mueve es la herramienta, no trabajaran con carrerassuperiores (es decir longitudes de corte máximas) a los 1000 mm. Esto es una claradesventaja frente a los cepillos (donde lo que se mueve es la pieza) y a las fresadoras(con otro principio de funcionamiento, distintas herramientas, etc.); sin embargo esmuy usada es pequeños talleres ya que es simple de operar sobre todo en piezas dedimensiones reducidas.

La limadora, tal como se la ve en la Figura 2, esta compuesta por un bastidordenominado cuerpo el cual se apoya sobre un pedestal. Por la parte alta, y en sentidohorizontal, se desliza el cabezal, llamado también torpedo; en el extremo frontal lleva lacabeza portaherramienta, con el respectivo soporte para la herramienta. El material, opieza, a mecanizar, se coloca sobre una mesa, la cual esta dotada de dos movimientos:

- en la dirección A, donde el avance de la pieza es automático y actúa cada vez que laherramienta finaliza una pasada (no confundir con el mecanizado de toda la superficie).

- en la dirección B, que determina la profundidad de la pasada y que se modifica unavez que la herramienta ha finalizado con toda la superficie. Si bien con esta mesa semodifica la profundidad de pasada, esa aproximación es macro; luego, la profundidad

de pasada se calibra desde la manivela que se encuentra en el extremo del cabezal, porencima del porta herramienta.




Figura 2. Máquina limadora

La característica principal de esta máquina es el movimiento alternativo de laherramienta, el cual produce el movimiento de corte. Mientras que el movimiento Cproduce trabajo, el movimiento D es tiempo muerto; debido a esto, y dado que estasmáquinas trabajan con condiciones preestablecidas (tales como velocidad de corte,profundidad de pasada, etc.), la carrera de retroceso suele ser mas veloz que la carreraactiva, disminuyendo de esa forma los tiempos muertos; esta puede ser del orden de1,5 - 3 veces mayor que la velocidad de corte.

La longitud de desplazamiento del torpedo se debe calibrar mediante unostopes, modificables mediante una tuerca que se encuentra por encima del torpedo (locual no se observa en la figura). Para mecanizar superficies inclinadas, este soportepuede ser fijado oblicuamente respecto de su superficie horizontal.

Como en todas las máquinas herramientas, en la limadora hay que sujetar

fuertemente el material a la mesa. Generalmente se usan mordazas pero se debe tenercuidado en no apretar demasiado ya que de lo contrario quedan marcas sobre la zonade apriete; usualmente, se usan mordazas convarios puntos de sujeción, tal como se ve en lafigura 3.

Figura 3. Forma usual (en caso de no usarmorsa) de método de sujeción.




Otro aspecto de este tipo de mecanizado es que como la operación no escontinua sino discreta, generalmente no es preciso utilizar líquidos refrigerantes, dadoque la herramienta pierde temperatura durante la carrera inactiva.

En la figura 4 se observa unalimadora en la cual la pieza esta sujetadapor medio de una morsa. Es intuitivoreconocer que debido a los esfuerzos decorte e impacto por cada ciclo activo, lapieza a mecanizar debe estar fuertementesujetada a la mesa de trabajo.

Figura 4. Limadora.

3.3.3.- MAQUINAS CEPILLADORAS

Como ya se aclaró, la diferencia entre limadoras y cepillos es que en estas últimos lo

que de mueve es la pieza y no la herramienta. Lógicamente, cuando se habla demovimiento se refiere al movimiento de corte I, ya que el avance esta dado por eldesplazamiento de la herramienta a lo largo de la superficie a mecanizar. Mientras quecon limadoras no se pueden mecanizar longitudes mayores a 800 mm, con cepillos sepueden mecanizar superficies de hasta varios metros de longitud.

Respecto a la estructura de un cepillo, y tal como se observa en la figura 5, esperfectamente diferenciable de una limadora. Sobre una bancada de fundición semecanizan dos guías en V sobre la cual se deslizará la mesa en la que irá sujetada lapieza a mecanizar. Mediante dos columnas de gran porte sostienen un puente, sobre elcual van los carros con sus correspondientes portaherramientas. Mediante un motor

eléctrico se le otorga a la mesa el movimiento de corte I. El hecho de que este tipo demáquinas cuenten con dos carros portaherramientas es para permitir hacer dosmecanizados a la vez. El movimiento de avance II opera sobre las herramientassituadas en el puente.

La penetración de la herramienta sobre la superficie a mecanizar se obtiene dedos formas: las aproximaciones de desbaste se realizan sobre las columnas mientrasque las aproximaciones de terminación se realizan desde el carro portaherramientas.Esto es similar al avance que se obtiene en un torno: cuando se mecaniza a desbaste elavance longitudinal de la herramienta se realiza desde la bancada, mientras quecuando se mecaniza con mayor precisión, el avance se realiza desde el carro

portaherramienta. En la figura 6 se observa un cepillo de al menos 5 metros decapacidad de deslizamiento.




Figura 5. Cepillo, para obtenersuperficies planas de gran tamaño.

Figura 6. Cepillo.

3.3.4.- Mortajadoras

Las máquinas de amortajar, o mortajadoras ytambién denominadas escopladoras, son similares a laslimadoras pero el sentido de avance de la herramienta esvertical (figura 7). Se utiliza a menudo para realizar chavetasy/o ranuras varias, aunque también se pueden mecanizarplanos perpendiculares a los mecanizados con limadoras.

Figura 7. Mortajadora.




3.3.5.- Brochadoras

El concepto de mecanizado por brochado es que se observa en la figura 8.Similar a un limado manual, la particularidad de esta técnica es que en función de laherramienta, la brocha propiamente dicha, se pueden obtener perfiles tales como losque se observan en la figura 9. Una ventaja de esta técnica es que el trabajo se realizaen una única carrera activa; el primer tramo de la herramienta realiza las remocionesde desbaste, mientras que el tramo final da la terminación. Esto deriva en una muybuena terminación superficial, además de realizarse con extraordinaria rapidez.

Esta técnica no se justifica para pocas piezas, ya que el costo de la brocha(figura 10), al ser una herramienta de forma, no es menor. Piezas típicas obtenidas porbrochado son los dados de extrusión, ya seapara perfiles metálicos o poliméricos.

Figura 8. Concepto de brochado.

Figura 9. Formas obtenidas por brochado.

Figura 10. Brocha.

En la figura 11 se observa el esquema de una máquina de brochar, que constade un bastidor con una bancada en la cual se deslizará la brocha y mecanizará la pieza,la cual irá fuertemente sujetada al plato portapieza; en la figura 12, la máquina real.Los aspectos de lubricación son fundamentales, sobre todo para extender la vida de labrocha; como no hay calentamientos, debido a que las velocidades de corte no son

altas, directamente se lubrica con aceites puros.

Figura 11. Esquema de unabrochadora.




Figura 12. Brochadora.




UNIDAD 3.4. - TALADRADO

3.4.1.- Introducción, 3.4.2.- Máquinas taladradoras, 3.4.3.- Mechas y brocas.


El taladrado es una simple operación para obtener agujeros en un sólido. Esto seobtiene por medio del giro de herramientas, generalmente con dos filos inferiores deataque, denominadas mechas; las mismas son cilíndricas y además tienen un filocortante longitudinal de forma helicoidal. La operación se inicia situando la punta de laherramienta sobre un punto premarcado, de tal manera que la herramienta no

“camine” sobre la superficie que va a ser mecanizada; luego, con la rotación de laherramienta (movimiento I) se da el corte y progresivamente se da el avance(movimiento II), generado por una presión perpendicular a la superficie.

El grado de precisión de este tipo de operaciones no es muy grande, ya que lasherramientas suelen desviarse por varios motivos: desafilados, inclusiones duras en el

material, pérdidas de ajuste, vibrados, etc.; esto hace que tanto el diámetro del agujerotienda a incrementarse, como la dirección del mismo a desviarse. Sin embargo, enagujeros poco profundos y realizados mecánicamente, la precisión es aceptable; encado de taladrados manuales, generalmente son inaceptables para mecanizados quelleven ajustes posteriores. En caso de necesitarse agujereados de precisión, se sueleasistir por medio de escariado, en cual realiza un mecanizado de terminación posteriora un desbaste obtenido por taladrado.

Este tipo de máquinas, además de realizaragujeros, permite avellanar, escariar, roscar, etc. Elorden de dichas operaciones, para obtener un agujero

preciso se observa en la figura 1.

Figura 1. Orden progresivo de operaciones.

3.3.2.- MAQUINAS TALADRADORAS

En este tipo de máquinas, el eje de la dirección del avance dado por la herramienta

definirá el tipo de máquina; las mas usuales son de eje vertical. Un esquema de untaladro de columna se observa en la figura 2. Normalmente constan de la columnapropiamente dicha por sobre la cual se alojan los mecanismos, fundamentalmente unmotor eléctrico que a través de un juego de poleas se puede modificar la velocidad decorte. Este movimiento que se da sobre el husillo, deriva en un mandril el cual,generalmente autocentrante de tres mordazas, sujeta la herramienta de corte. Elmovimiento de avance II, generado por el husillo, está dado por una palanca de mandomanual. Sobre la mesa de trabajo irá posicionada la pieza a agujerear, quenormalmente se sujeta de forma manual, salvo que la pieza sea muy pequeña y en esecaso se la sujeta por medio de una morsa.

Tecnología I - U3.4. - Taladrado - 1



Taladros de columna de última generación, ya sean de banco o de pié, suelentener motores eléctricos de corriente continua los cuales pueden modificar la velocidadde rotación. Esto es fundamental, yaque en función de dicha velocidad y eldiámetro de la herramienta, se define la

velocidad de corte I, la cual tambiénserá función de las propiedades delmaterial a mecanizar. En estasmáquinas, por otro lado, si bienmantienen el avance manual a travésde la palanca, también se puedeaccionar el avance en forma automática(figura 3).

Figura 2. Taladro vertical de banco.

Figura 3. Taladro vertical de pié.

Las máquinas de eje horizontal generalmente seemplean para taladrar desde un único agujero hasta variasdecenas de agujeros en forma simultánea; naturalmente sonmáquinas de uso específico, y pueden tener hasta 4cabezales, para de esa manera mecanizar piezas cúbicas.

Estas máquinas, provistas de dicha palanca, tambiénse las denomina sensitivas, ya que el operario, al dar el avance en forma manual y enfunción a la resistencia que siente el operario en su propia mano, dará mayor o menor

ente se observa en laan tamaño, las cuales

a mesa;mecanizado y se

etro, de hasta 60 mm.(figura 5).

Figura 4. Movimientos en taladro de bandera.

presión sobre la palanca.

Otro tipo de taladros, ya mas específico, son losradiales, o de “bandera”. Esquemáticamfigura 4 y se lo utiliza para piezas de grson complicadas para desplazarlas por sobre lpermite también una gran superficie depueden poner mechas de gran diám




Figura 5. Taladro radial o de “bandera”.

Por último, y de manera similar a los taladroshorizontales, se encuentras los taladros múltiples, los

cuales con transmisiones de movimientosestratégicamente relacionados se hacen accionarvarias herramientas las cuales actuarán en formasimultánea. Esto es importante ya que de realizarsevarios agujeros a una misma pieza, se incrementaránnotablemente el tiempo de mecanizado.

Otro aspecto para minimizar tiempos ydefectos de posicionado de los agujeros se consigue através de la utilización de “máscaras de mecanizado”.

Estas máscaras, que son verdaderos utillajes, guían a las herramientas que han de

taladrar. Con una superficie similar a la de la pieza a mecanizar y un labio que de talmanera la ajuste precisamente, la máscara en si presentará agujeros (reforzados concasquillos de metal duro para incrementar su vida útil) por donde pasarán las mechas;naturalmente, el confeccionado de una máscara solo se justificara para producciones

riadas.

ECHAS Y BROCAS

co y de cuerpo

herramientas conste tipo de ajuste parten desde los 20 / 25 mm de ∅.

icas y cilíndricas.

sario perforarcon un ∅ `d` de tal form

Figura 7. Agujero previo `d` y agujero final `D`.

se

3.4.3.- M

Mechas

Estas herramientas de corte de dos filos y con un perfil longitudinal helicoidal, en caso

que sean de acero al carbono o de acero rápido, generalmente permiten reafilados (nomanuales, sino en máquinas de reafilado); no es el caso de aquellas mechas contratamientos superficiales, ya que una vez que dicho recubrimiento se degrada, pierdenlas propiedades de origen. Están formadas de dos partes, una de sujeción y otra detrabajo. Tal como se observa en la figura 6, las hay de cuerpo cónicilíndrico. Estas últimas, mas usuales, se ajustan mediante unpequeño mandril de mordazas autocentrantes. Las cónicas, masespecíficas, permiten un ajuste mas fuerte al mandril, que porsupuesto será cónico inverso a la herramienta;e

Figura 6. Mechas cón

que cumpla D = (3 a 5) d.

Siempre que se necesite agujerear un ∅ `D` por encima de 5mm en piezas ferrosas (figura 7), previamente es nece

a




Distintas herramientas se observan en la figura 8. Las dos primeras ya fuerondescriptas, mientras que la c) es una mecha de gran ∅. La d) es una broca de marcadoy preagujerado, mientras que la e) es una herramienta similar a una fresa de espiga. Laf) es una mecha con insertos tipo `widia`,las cuales se utilizan para taladrar materiales

de muy alta dureza, tales como acerosespeciales, así como también materiales debase hormigón. La mecha g) es típica parahacer agujeros pasantes de gran longitud,ya que tienen largos de hasta 400 mm. Porúltimo, la h) e i), son herramientas paramateriales de muy bajas propiedadesmecánicas, tales como las maderas.

Figura 8. Diferentes herramientas.

Para agujeros de gran ∅ se puede optar por unaherramienta de copa tal como la que se observa en lafigura 9. Se debe notar que la copa tiene soldadaspequeñas plaquitas (insertos), y no debe ser confundidacon las copas aserradas típicas para mecanizar maderas.

Figura 9. Copa con insertos.

Tal como se observa en la figura 10, herramientas de forma serán necesariaspara generar determinadas superficies de mecanizado (tales como el avellanado), endonde es posible alojar tornillos con distintos tipos de cabezas y que las mismasqueden por debajo de la superficie.

Figura 10. Mecanizados de formapara alojamiento de tornillos.

Rotura de herramientas

Estas herramientas, al ser muy esbeltas y estar expuestos a grandes solicitaciones,suelen colapsar, sobre todo a bajos ∅. La gran desventaja de este tipo de roturas esque las herramientas generalmente queden fuertemente ancladas al material que

estaba mecanizando, por lo que extraerlas a menudo es muy complejo, y no justifica el




esfuerzo. Si bien las causas de rotura pueden ser muy variadas, en la figura 11 seobservan las cuatro principales.

• Mal ajuste de la herramienta al husillo, generando juego axial; esto puede estaroriginado por un ajuste defectuoso en un mandril autocentrante . Otra razón es undesgaste excesivo del cono portaherramientas, y que de tal manera se pierda lalinealidad entre el eje longitudinal de la herramienta y el del husillo (figura 11.a).

• Presencia de un plano inclinado, ya que es intuitivo que la herramienta sufriráesfuerzos durante el corte que generen desbalanceos es la distribución de las cargas.Estos planos se deben evitar en el plano superior, generando un escalón que de talforma la herramienta se encuentre con una superficie plana, perpendicular al ejelongitudinal de la herramienta; en la figura 11.b se aprecia el efecto generado por unplano inclinado inferior, en caso de ser un agujero pasante.

• Obturación del canal de descarga, que se da típicamente en el mecanizado demateriales de muy alta maquinabilidad, tales como polímeros, maderas, aleaciones

metálicas de baja y muy baja temperatura de fusión. Laobturación, al no permitir la descarga de la viruta quese esta generando en el corte, genera un estadotensional que hace colapsar a la herramienta (figura11.c).

• Presencia de una inclusión, partícula dura, compuestointermetálico de alta dureza, y conceptualmente, es lageneración de un esfuerzo axial similar al 1º o 2º punto(figura 11.d).

Figura 11. Modos de rotura.

Por último, en la figura 12 se ve un accesoriopara evitar proyecciones sobre el operario (pantallade acrílico), ya que si bien durante las roturas nosuelen ser complicadas desde el punto de vista de laseguridad, alguna viruta puede ser dañina a los ojos.

Figura 12. Pantalla acrílica de seguridad.




UNIDAD 3.5. - RECTIFICADO

3.5.1.- Introducción, 3.5.2.- Muelas, 3.5.3. Trabajos y tipos de rectificadoras.


Este es seguramente el proceso de mecanizado por arranque de viruta mas antiguoque se conoce. De esta forma se trabajaron en tiempos prehistóricos utensiliosdomésticos y de caza, que generalmente eran de piedra o de hueso, los cuales setrabajaban sobre arenas de cuarzo.

La forma de trabajo en las operaciones de rectificado son similares a la defresado. La diferencia es que mientras la fresa corta con una cantidad determinada defilos por vuelta, en el rectificado cortan "n" filos por vuelta y esto es debido a que lamuela presenta incontables granos sobre la superficie. El mecanismo de remoción dematerial es similar al lijado manual pero con la salvedad que se hace a gran velocidad.

Si bien al arrancarse capas muy delgadas de material el proceso es muy lento, a

su vez es muy preciso; esto es muy útil sobre todo cuando se trata de conseguirmedidas muy precisas. En una pasada de muela, esta puede remover espesores entre50 y 1 μm. En función de esto es que cada vez es mas importante el concepto de estemecanizado ya que es el que permite trabajar con el principio de intercambiabilidad,cosa que sería imposible en caso de no existir operaciones de acabado. En lasindustrias modernas, las rectificadoras ocupan entre un 10 % y un 20 % de la totalidadde las máquinas herramientas.

Además de corregir dimensiones, también disminuye la rugosidad superficialpor efecto de pulido; esto es necesario en ciertas piezas metálicas, así como envidrios (lentes ópticas) o piedras preciosas y semipreciosas. En el pulido se emplean

sustancias abrasivas muy finas, soportadas por discos de tela, fieltro o cuero.

3.5.2.- MUELAS

Como herramientas propiamente dichas para estas operaciones se cuenta con muelas,barretas abrasivas y papeles de lija. Dentro de estas, las muelas son las mas utilizadasya que al presentar múltiples filos, son mas duraderas. El lijado, que en definitiva es unmecanizado tan leve que puede ser aplicado manualmente, tiene la desventaja quegeneralmente el papel de lija pierde el grano rápidamente. Dentro de las muelas, las

mismas actualmente presentan diferentes formas, siendo las mas usuales las de disco.Los elementos básicos que influyen sobre las muelas de rectificado son:

i. Grano abrasivo: es el elemento que efectúa el trabajo de corte y deremoción de material.

ii. Ligante: es el elemento que aglutina los granos abrasivos.

iii. Dureza: da el grado de fuerza con que el ligante mantiene a los granossobre la muela.

iv. Estructura: es la relación entre los granos, el ligante y la cantidad deespacios libres sobre la muela.

En los procesos de rectificado las muelas se embotan (pierden el filo), sedeforman o se contaminan con grasa; todas estos aspectos son perjudiciales para la

Tecnología I - U3.5 - Rectificado - 1



operación ya que limitan la vida de la muela, deforman la superficies obtenidas ydisminuyen el grado de acabado superficial, así como su estabilidad dimensional.

Un aspecto fundamental es el desgaste de la muela, ya que el mismo debe sercontrolado, ya que el propio desgaste permite la aparición de nuevos filos; si eso noocurre, se dice que la muela se embotó. En caso que esto ocurra, a menudo la muelaproduce mellas y quemaduras sobre la superficie rectificada; en este caso se debereafilar la muela, y eso, que se debe realizar con algo de mayor dureza que los granosabrasivos, se realiza con una pequeña pastilla de diamante o algún mineral cerámico dealta dureza.

i. Granos abrasivos

* Naturales: los mas usuales son el diamante, esmeriles, corindón, areniscas y cuarzo;estos suelen tener impurezas que introducen discontinuidades sobre la muela.

* Artificiales: los mas usuales, Oxido de Aluminio Al2O3 y Carburo de Silicio CSi, seproducen en hornos eléctricos y por lo tanto sus características pueden ser controlables

fácilmente, asegurando de esa forma una calidad tal que se puede utilizar en muelasabrasivas con tamaño de grano controlado.

- Al2O3: es de grano afilado y tenaz; se adecua para cortar o rectificar materiales degran resistencia tales como aceros de aleación, aceros rápidos, bronces, etc. No seutilizan para materiales muy duros (p.e. CW), ya que los granos se embotan.

- CSi: es de grano duro, facetado (filoso) pero de alta fragilidad; generalmente seutiliza para el amolado de materiales de baja resistencia a la tracción (fundiciones,latones, cobres y materiales no metálicos).

- NB: el nitruro de boro es la segunda sustancia más dura natural o artificial, luego

del diamante. Es útil para afilar tanto herramientas como matrices de corte.- Diamante: sintéticos y obtenidos en granulometrías muy pequeñas, se utilizan

únicamente para el mecanizado de materiales de muy alta dureza, tales como loscerámicos.

Todos estos materiales se obtienen de distintas formas pero luego sonprecisamente clasificados mediante tamices de distintos aberturas de malla. Estas seclasifican con el número Mesh y van desde el 4 (≈5,5 mm) hasta 1600 (≈8 μm). Losgranos cuyos tamaños van del 4 al 24 se llaman “gruesos”; los de 30 a 60,

“medianos”; los que van de 70 a 600, “finos” y los de 600 a 1600, “extrafinos”.

ii. Ligantes

El objeto de los mismos es mantener al grano cortante, si es que todavía tiene filo,sobre la superficie de la muela. Los ligantes tienen los siguientes efectos: 1º,determinan la resistencia y la velocidad máxima de la muela y 2º, determinan si larueda será rígida o flexible. En definitiva, establecen la fuerza disponible para retenerlas partículas abrasivas. Si para desprender los granos se requiere una pequeñafuerza, se dice que la muela es suave; en caso contrario, la muela es dura.

Los ligantes pueden ser:




a. Cerámicos: porosos y de dureza uniforme; insensibles al agua, calor y aceites, peropoco elásticos y por ende, sumamente frágiles; se utilizan para muelas de pequeñodiámetro.

b. Orgánicos: son sumamente elásticos y comprenden a los cauchos y resinas(bakelita). El caucho es útil ya que soporta esfuerzos laterales; se utiliza en muelas depoco espesor; presentan la tendencia a quemarse. La bakelita se utiliza en muelas degran tamaño, y se emplean para altas velocidades de corte.

c. Minerales: se utilizan cementos o vidrios solubles; tienen bajo costo y como lasmismas son sensibles al agua entonces no se deben efectuar grandes presiones sobreel corte, evitando de sea forma las altas temperaturas; son las muelas mas conocidas,usualmente utilizadas en el afilado de herramientas.

iii. Dureza

La dureza depende del aglutinante y no del abrasivo. Los granos se vanembotando

paulatinamente y, debido a la presión y al rozamiento, son arrancados junto alaglomerante que lo rodea; de esa forma aparecen nuevos granos con nuevos filos. Lasmuelas de las cuales se arrancan los granos fácilmente se denominan blandas y las quecuesta mas trabajo se denominan duras. Las muelas blandas se utilizan para rectificar(o mecanizar) materiales duros, ya que los filos se desgastan rápidamente y por lotanto el grano debe recambiarse rápidamente.

iv. Estructura

La estructura se relaciona con el espaciamiento de los granos abrasivos mediante lapresencia de un grado de porosidad. Todas las muelas son porosas en mayor o menorgrado, por lo tanto si la muela posee muchos poros será de estructura abierta y siposee pocos será de estructura cerrada. Los materiales dúctiles (de altamaquinabilidad) requieren un mayor espaciamiento para acomodar virutasrelativamente grandes. Un acabado fino requiere una muela con poco espaciamientointergranular, es decir de estructura cerrada.

Según sea el trabajo a realizar, las muelas presentan distintas formas. La masusual es la de disco, o piedra rectangular (figura 1); también son usuales la de copa

(figura 2). Estos dos tipos de muela son de superficie, mientras que las que seobservan en las figuras 3 y 4 son muelas de forma, aunque alguna se pueda utilizarpara realizar un mecanizado interno y no genere una forma sino una superficie. Estasúltimas se denominan 'puntas montadas' y lashay de todas formas posibles.

Figura 1. Muela de disco; herramienta

generadora de superficie




Figura 2. Muelas de copa;herramienta generadora desuperficie

Figura 3. Puntas de montar; herramientas generadoras de forma

Figura 4. Set de puntas de montar.




3.5.4.- TRABAJOS Y TIPOS DE RECTIFICADORAS

Rectificado cilíndrico

Es la mas usual de las operaciones ya que es el rectificado de ejes, o de cualquiersuperficie cilíndrica; una rectificadora típica para este tipo se observa en la figura 5. El

movimiento de corte I esta dado tanto por el giro de la muela como por el de lapieza; naturalmente son en oposición. El movimiento de avance II se da por unatraslación axial de la pieza en el sentido longitudinal. La máquina está constituida poruna bancada de guías horizontales donde esta montado el husillo porta piezas, consu correspondiente motor y el sistema de avance de la pieza respecto de la muela;también contiene el circuito de refrigeración, constituido por un depósito dedecantación, una bomba y un filtro/separador magnético de las limaduras.

El cabezal porta muelas incluye el motor eléctrico con su sistema de poleas(en este caso), que generalmente es de velocidad única, para no alterar la rigidez delsistema. La muela, por su fragilidad, está montada sobre platinas de gran diámetro.

La penetración del mecanizado esta dado por la posibilidad de la muela endesplazarse de manera muy controlada con un movimiento perpendicular al eje de girode la pieza.

Figura 5. Esquemarectificadora para cilindrado

con centros.

Para trabajos entre puntas se dispone de una contrapunta, fijada sobre labancada; generalmente contiene también al sistema afilador de la muela. En la figura6 se aprecia una rectificadora con su sistema de refrigeración.

Figura 6. Rectificadora.




Rectificado cilíndrico de interiores

Se identifican a estas operaciones al rectificado de agujeros y/o superficies cilíndricasinternas. En este tipo de operación, la pieza se monta en un cabezal que le imprime unmovimiento giratorio; la muela, de menor diámetro que el agujero a rectificar, semonta en un husillos giratorio, que además de tener la posibilidad de tener elmovimiento de avance (de ida y vuelta); además, tiene la posibilidad de desplazarse ensentido transversal, para obtener la penetración deseada. Las muelas para este tipo deoperación son de reducidas dimensiones; también se utilizan puntas de montar. Elesquema y una verdadera operación se observa en la figura 7. Generalmente este tipode mecanizado se realizan en rectificadoras horizontales aunque, para algunos tipos, semontan las puntas sobre máquinas de eje vertical.

Figura 7. Rectificado cilíndrico de interiores

Rectificado cilíndrico sin centros

Este tipo de rectificado es similar al rectificado cilíndrico, pero en este caso la pieza nose soporta entre puntas. Mediante una disposición especial entre una superficie fijadenominada guía soporte y las muelas, es posible que la pieza camine, es decir, que sedesplace sobre la guía por efecto de un esfuerzo axial. Esto ocurre por que elmecanizado se realiza por medio de dos muelas, una activa y otra loca. Al girar lamuela activa, o de arrastre, obliga a girar a la pieza en el sentido inverso, a la vez queobliga a girar a la muela loca. El ligero desfasaje entre muelas, genera el movimientoaxial que permite el traslado; lógicamente, el ángulo de desfasaje es alternativo paragenerar un efecto de vaivén (figura 8).

Figura 8. Disposición y muelas para rectificado cilíndrico sin centros.




Rectificado de superficies planas

Este tipo de operación se puede hacer mediante máquinas rectificadoras de diferenteforma: puede ser con eje vertical o con eje horizontal; los esquemas se observan en lafigura 9, y mientras que generalmente las rectificadoras de eje vertical utilizan muelasde copa, las de eje horizontal utilizan muelas de disco.

Figura 9. Rectificado de superficies planas, de eje vertical y eje horizontal.

Para operaciones de rectificado en superficies pequeñas (de no mas de 120 mmx 120 mm), son muy usuales las 'rectificadoras de bandera'; estas son pequeñasrectificadoras con eje vertical donde el avance de la piedra es manual (figura 10). Enestas máquinas la muela siempre es de copa, siendo las velocidades de giro superioresa las 2500 RPM. Para rectificar superficies mas grandes, es usual encontrar'rectificadoras universales' que, de la misma manera que las fresas, pueden trabajartanto de manera horizontal como vertical.

Figura 10. Rectificado de bandera, con eje vertical.

Generalmente en el rectificado de eje horizontal se utilizan muelas de disco y el

proceso se realiza con el diámetro exterior de la piedra. Las piezas a rectificargeneralmente se fijan por medio de un plato magnético a la mesa de trabajo (figura




11); en caso que la pieza no sea magnética, como determinados aceros inoxidables, lamisma ira sujetada por medio de una morsa mecánica, la cual si se afirma al la mesade trabajo en forma magnética. Esta mesa lógicamente está dotada tanto de unmovimiento longitudinal como de un movimiento transversal respecto de la muelarectificadora (figura 12).

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