CAPITULO 2

MARCO TERICO

2.1. FORJA EN DADO CERRADO

El forjado por matriz cerrada la pieza de trabajo se atrapa por completo en la matriz y no se genera rebaba. De esta forma, el forjado es ms econmico, pero se deben controlar muy cuidadosamente el diseo de la matriz y las variables del proceso. Al final de la carrera, la cavidad est llena en su totalidad con un slido incompresible y las presiones de la matriz se elevan de manera pronunciada[footnoteRef:1]. A continuacin se muestra las caractersticas generales de los procesos de forja. [1: Texto tomado de: Procesos de Manufactura; John A. Shey; 3ra ed. ]

Tabla 2.1 Caractersticas generales de los procesos de forja

Proceso

Ventajas

Limitaciones

Matriz abierta

Matrices simples y poco costosas; amplia gama de tamao de partes; buenas caractersticas de resistencia; por lo general para cantidades pequeas.

Limitado a formas simples, es difcil mantener tolerancias cerradas; es necesario maquinar para dar forma final; velocidad de produccin baja; utilizacin relativamente deficiente del material; requiere alto grado de habilidad.

Matriz cerrada

Uso de material relativamente adecuado; por lo general con mejores propiedades que los forjados de matriz abierta; buena precisin dimensional; altas velocidades de produccin; buena reproducibilidad.

Alto costo de la matriz, no econmico para cantidades pequeas; con frecuencia es necesario el maquinado.

De aproximacin

Costos bajos de matriz; altas velocidades de produccin.

Es necesario maquinado para dar acabado final; partes con almas gruesas y filetes grandes.

Convencional

Requiere mucho menos maquinado que el tipo de aproximacin; utilizacin adecuada del material.

Costo de la matriz ms elevada que el del tipo de aproximacin.

De precisin

Tolerancias dimensionales cerradas; es posible reproducir almas muy delgadas y rebordes; generalmente no es necesario el maquinado; muy buena utilizacin del material.

Fuerzas elevadas de forjado; matrices intrincadas y previsiones para extraer la forja de las matrices.

Fuente: Manufactura ingeniera y tecnologa; S. Kalpakjian; 5ta ed.

Por lo general, una operacin de forjado en caliente comprende la siguiente secuencia de pasos:

1. Preparar una pieza de trabajo, tocho o preforma mediante proceso como cizallado (recorte), aserrado o tronzado. De ser necesario, limpiar las superficies por medios como la limpieza con chorro de granalla.

2. Para forjado en caliente, calentar la pieza de trabajo en un horno apropiado y despus, de ser necesario eliminar la cascarilla tras el calentamiento con un cepillo de alambre, chorro de agua, vapor o raspado.

3. Para forjado en caliente precalentar y lubricar las matrices; para forjado en frio, lubricar la matriz.

4. Forjar el tocho en las matrices apropiadas en la secuencia adecuada. De ser necesario eliminar cualquier exceso de material (como las rebabas) por medio de recortado, maquinado o esmerilado.

5. Limpiar la forja, verificar sus dimensiones (de ser necesario) maquinarla hasta obtener las dimensiones finales y las tolerancias especificadas.

6. Efectuar operaciones adicionales, como enderezado y tratamiento trmico (para mejorar las propiedades mecnicas). Adems, realizar las operaciones de acabado que sean necesarias, como maquinado y rectificado.

7. Inspeccionar la forja en caso de cualquier defecto externo e interno[footnoteRef:2]. [2: Texto tomado de: Manufactura Ingeniera y Tecnologa; S. Kalpakjian-S. Schmid; 5ta ed.]

2.1.1. ANLISIS DE FORJA EN DADO CERRADO[footnoteRef:3] [3: Formulas tomadas de: Procesos de Manufactura; John A. Shey; 3ra ed.]

Las fuerzas se calculan como en el forjado por matriz de impresin. A continuacin se presenta los pasos para calcular la fuerza de forja que se requiere para el proceso:

Figura 2.1 Esquema de matriz y material a deformar

Paso 1: Encuentre el volumen de la parte.

(2.1)

Paso 2: Calcular la altura promedio a travs del volumen V y del rea inicial A0de la pieza de trabajo.

(2.2)

Paso 3: Para calcular el esfuerzo de fluencia en trabajo en frio, la deformacin real es:

(2.3)

Paso 4: Para la deformacin en caliente tambin es necesaria la tasa de deformacin:

(2.4)

: Velocidad de la prensa

Paso 5: Clculo del esfuerzo de fluencia relevante:

Trabajo en fro: (2.5)

Trabajo en caliente: (2.6)

Tabla 2.2 Propiedades de manufactura de aceros y aleaciones de cobre

(Condicin recocida)

Fuente: Procesos de Manufactura; John A. Shey; 3ra ed.

Tabla 2.3 Propiedades de manufactura de varias aleaciones no ferrosas

(Condicin de recocido, excepto 6061-T6)

Fuente: Procesos de Manufactura; John A. Shey; 3ra ed.

Paso 6: La fuerza promedio de la matriz se establece multiplicando el esfuerzo de fluencia por un factor Qc que tiene en cuenta la complejidad de la forma.

(2.7)

2.2. RECALCADO Y ENCABEZAMIENTO[footnoteRef:4] [4: Texto tomado de: Herramientas de Conformar; Manuel Malio Gallardo.]

Llamaremos recalcado de cabezas, para caracterizarlo dentro de los mltiples tipos de procesos que se abarcan bajo el nombre de recalcado, o el particular de recalcado parcial a aquel en el cual el fin perseguido es la acumulacin de material con una forma definida en o cerca de un extremo de un semiproducto.

Esta acumulacin es siempre producida por una fuerza que se ejerce a lo largo del eje principal de la pieza. En la figura 2.2 vemos varios ejemplos de productos en los cuales se emplean recalcado de cabezas.

1 2 3

4 5 6

Figura 2.2 Ejemplos de piezas con recalcados de cabezas[footnoteRef:5]. [5: Figura tomada de: Herramientas de Conformar; Manuel Malio Gallardo.]

El proceso se combina en muchos casos con otros varios para la obtencin de piezas terminadas, siendo entre ellos los ms comunes el laminado de roscas y procesos de corte y extraccin.

As, por ejemplo, la fabricacin de la pieza (4) de la figura 2.2 (tornillo) implica la elaboracin de una rosca, generalmente laminada con posterioridad al recalcado.

Hay lmites para la cantidad de deformacin que se pueden alcanzar en el recalcado, definidos usualmente como la longitud mxima del material a forjar. La longitud mxima que se puede recalcar en un golpe es tres veces el dimetro de la barra inicial. De otra manera, el material se dobla en lugar de comprimirse para llenar adecuadamente la matriz.

2.2.1. DIVISIN4

La forma de divisin ms comn del proceso de recalcado de cabezas es aquella basada en la temperatura a que se realiza. Se distingue fundamentalmente entre recalcado en fro y en caliente, segn esta temperatura est por debajo o por encima de la temperatura de recristalizacin del material.

2.2.1.1. Recalcado de cabezas en caliente4

Las caractersticas del proceso de recalcado de cabezas en caliente son las inherentes a todos los procesos de conformacin a altas temperaturas, a saber: se requieren fuerzas menores (mquinas ms pequeas) pero, como contraparte, son imprescindibles instalaciones de calentamiento, y las tolerancias de fabricacin son considerablemente mayores.

El proceso en caliente se emplea para piezas de dimetros mayores a 12mm y en casi todos los casos de semiproductos mayores de 20 mm, realizndose tanto sobre mquinas especializadas como sobre convencionales. Entre estas ltimas, prensas de forja de cigeal y de husillo.

2.2.1.2. Recalcado de cabezas en fro4

El recalcado de cabezas en fro es la forma ms empleada, llegando hasta dimetros de los 30mm.

Como caractersticas del encabezado en fro pueden citarse todas las inherentes a los procesos de conformacin a baja temperatura, es decir: mayor exactitud de las piezas, mejora de las propiedades mecnicas del material y alta productividad.

Como desventajas se pueden citar: el empleo de mquinas ms potentes y, normalmente, el empleo de semiproductos ms caros, en forma de barras o alambre calibrados (estirado en fro) y recocidos.

2.2.2. TIPOS DE MQUINAS PARA EL RECALCADO DE CABEZAS4

Las mquinas que realizan los procesos de recalcado de cabezas pueden ser clasificadas desde diferentes puntos de vista, siendo los ms comunes:

a.) De acuerdo con el tipo de matriz:

Mquinas de matriz partida o abierta y

Mquinas de matriz entera.

b.) De acuerdo con el nmero de pasos necesarios para fabricar una pieza:

Simples o de un golpe,

De dos golpes y

De tres golpes.

c.) De acuerdo con la cantidad de matrices (posicione de la pieza durante la fabricacin):

De matriz nica y

Transferidoras.

Mquinas de matriz partida: son aquellas en las cuales la matriz est formada por dos o ms elementos que se montan independientemente con movimiento relativo entre ellos y que al unirse determinan la cavidad necesaria para el conformado de la pieza, aplicando al mismo tiempo una fuerza que sujeta el vstago del elemento que se conforma durante la operacin.

Mquinas de matriz cerrada: las herramientas son piezas nicas, cilndricas, en las cuales se introduce el semiproducto por un extremo y resulta conformado luego de apoyarse en un botador encargado de su expulsin una vez concluido el ciclo de elaboracin. Este tipo de mquina es el ms comn y difundido para la fabricacin de tornillos y remaches.

Como mquinas simples o de un solo golpe se entienden aquellas en las cuales se elabora una pieza por carrera de la mquina y empleando slo una pieza por carrera de la mquina y empleando slo una matriz y un punzn. Son slo empleadas en la fabricacin de piezas sencillas con cabezas poco voluminosas.

Las mquinas recalcadoras de dos o ms golpes son aquellas en las cuales es necesaria la presencia de ms de un punzn para la elaboracin total de la pieza.

Mquinas de matriz nica: son aquellas en las cuales el semiproducto sufre todos los pasos necesarios para formar su cabeza en una sola matriz, aun cuando se emplee ms de un punzn, caso en el cual los mismos ocupan secuencialmente la posicin de trabajo para golpear al semiproducto en la matriz nica.

Mquinas transferidoras: el semiproducto va recorriendo durante su formacin varias posiciones de trabajo formadas por matrices y punzones independientes, y cuyo nmero puede llegar a ser hasta del orden de siete en las ms complejas.

Las mquinas de este tipo se emplean habitualmente cuando son necesarias tres o ms operaciones, del total de las cuales normalmente algunas no son de recalcado. As, por ejemplo, la pieza (5) de la figura 2.2 ha sido conformada en una mquina de cuatro posiciones de las cuales dos son de extrusin y la pieza (6) de la misma figura en una de cinco posiciones que incluye una de extrusin y una de recortado(del hexgono).

Las mquinas transferidoras son muy empleadas, por ejemplo, en la fabricacin de tuercas de fro, combinando pasos de recalcado, extrusin y corte.

2.2.3. RECALCADO SIN FRICCIN[footnoteRef:6] [6: Texto tomado de: Procesos de Manufactura; John A. Shey; 3ra ed.]

Suponga que, por medio de la aplicacin de algn lubricante muy bueno, la friccin se reduce de manera exitosa hasta virtualmente cero. Si se divide el cilindro en muchos elementos pequeos, ahora cada uno se deforma igualmente. En la curva fuerza-desplazamiento (Fig. 2.3) se observa que la fuerza se incrementa porque el rea aumenta rpidamente. El rea bajo la curva tiene dimensiones del trabajo (trabajo = fuerza x distancia). As, el trabajo o energa Ea que deben ser suministrados por la prensa o por el martinete se puede obtener por medio de la integracin grfica o numrica de esta rea.

Figura. 2.3 Las fuerzas de recalcado se elevan mucho con la progresin de la deformacin; el rea bajo la curva representa el trabajo[footnoteRef:7]. [7: Imagen tomada de: Procesos de Manufactura; John A. Shey; 3ra ed.]

La energa absorbida por la pieza de trabajo se convierte en calor. En la prctica, la deformacin ocurre en un tiempo finito, y se pierde un poco de calor a travs de la conduccin hacia las matrices y por radiacin y conveccin hacia la atmsfera circundante. Por lo tanto, el aumento real de la temperatura es menor pero puede ser significativo.

2.2.4. RECALCADO CON FRICCIN DESLIZANTE6

En la prctica es muy improbable obtener una friccin cero, aun con el mejor lubricante (tabla 2.4). Con objeto de vencer el esfuerzo de friccin, se debe ejercer una presin normal cada vez ms elevada a medida que nos movemos hacia el centro del cilindro. Entonces la presin promedio en la interfaz Pa se expresa convenientemente como un mltiplo del esfuerzo uniaxial de fluencia . El factor de multiplicacin de la presin Qa (donde el subndice significa simetra axial) debe tomar en cuenta los efectos tanto de la friccin (o m*) como de la geometra de la pieza de trabajo (razn d/h o factor de forma). De la teora, si se usa m*,

(2.8)

Tabla 2.4 Lubricantes comunes* y coeficientes de friccin en la deformacin plstica

*Algunos lubricantes usados con frecuencia (los guiones indican qua se emplean varios componentes en el lubricante):

Cl =parafina dorada.EM= emulsin; los ingredientes listados del lubricante se distribuyen Finamente en agua.EP= compuestos de extrema presin (conteniendo S, Cl y P).FA=cidos y alcoholes grasos, por ejemplo, cido oleico, cido esterico, alcohol estearlico.FO=aceites grasos, por ejemplo, aceite de palma y aceite sinttico de palma.GI=vidrio (viscosidad o temperatura de trabajo en unidades de poise).GR=grafito; usualmente en un fluido portador con bose de aguo.MO=aceite mineral (lo viscosidad en parntesis, en unidades de centipoises a 40oC).PH=conversin superficial fosfatado (o similar), proporcionando modulacin del lubricante

Fuente: Procesos de Manufactura; John A. Shey; 3ra ed.

Alternativamente, si se emplea , Qa se puede tomar de la figura 2.4

Fig. 2.4 Los presiones promedio en el recalcado de un cilindro se incrementan con el aumento de lo friccin y de la cuadratura del cilindro7.

El esfuerzo mximo Pa mx es importante para el material de la matriz. Se calcula ms fcilmente con m*:

(2.9)

2.2.5. RECALCADO CON FRICCIN ADHERIDA6

En el caso extremo, cuando la superficie de la platina es rugosa y no se usa lubricante, el esfuerzo cortante en la interfaz puede alcanzar o exceder el esfuerzo de fluencia por cortante del material de la pieza de trabajo y el movimiento de la cara extrema se impide totalmente. Ahora toda la deformacin ocurre por el cortante interno en el cilindro.

El factor de multiplicacin de la presin permanece cerca de la unidad siempre y cuando d/h < 2. La teora simple no puede enfrentarse a esta complejidad, y los valores limtrofes del factor de multiplicacin de la presin dados en la figura 2.4 se determinaron experimentalmente.

2.3. PRENSAS

La prensa es una mquina herramienta que tiene como finalidad lograr la deformacin permanente o incluso cortar un determinado material, mediante la aplicacin de una carga. Son empleadas prcticamente en todas las industrias, y utilizadas para actuar sobre distintos materiales ya sea en fro o en caliente, en cualquier operacin que se requiera una fuerte presin, por ejemplo: forjar, estampar, extruir, laminar, etc.

Figura 2.5 Componentes de una prensa troqueladora tpica por transmisin mecnica[footnoteRef:8]. [8: Imagen tomada de: Fundamentos de manufactura moderna; Mikell P. Groover; 3ra ed.]

Su gran variedad permite numerosos sistemas de clasificacin, esta puede estar en relacin a la fuente de energa, ya sea operada manualmente o con potencia, por el tipo de ariete, la forma del bastidor, etc., como se indican en el cuadro tabla 2.5, en el cual constan una variedad de mquinas.

Tabla 2.5 Tipos de prensa

MOTIVO

TIPOS

FUENTE DE ENERGIA (EL ACCIONAMIOENTO)

-Manual

-Vapor, gas, neumtica

-Potencia

-Hidrulica

-Mecnica

ARIETE(ELEMENTOS ACTIVOS)

-Vertical de simple efecto

-Vertical de doble efecto

-En cuatro correderas

-De configuracin especial

DISEO DEL BASTIDOR

-De banco

-Inclinable

-De escote

-De puente

-De costados rectos

-Yunque

-Columna

METODOS DE APLICACIN AL ARIETE

-Manivela

-Leva

-Excntrica

-Tornillo de potencia

-Cremallera y pion

-Junta articulada

-Hidrulica

-Palanca acodillada

-Neumtica

PROPSITO DE LA PRENSA

-Doblado

-Punzonado

-Extruido

-Empalmado

-Enderezado

-Forzado

-Acuado

-De transferencia

-Roedora

-Estirado

-Revlver

-Forja

Fuente: http://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/1540/1/CD-0844.pdf

Debido a la amplia diversidad de tipos de prensas es que, por lo general se las divide en dos grandes grupos: Prensas Mecnicas, y Prensas Hidrulicas.

Existe una gran variedad de mquinas para forjado con una gama de caractersticas de capacidad (fuerza en toneladas), velocidades y velocidad-carreras (tabla 2.6).

Tabla 2.6 Intervalos caractersticos de velocidades del equipo de forjado

Intervalos caractersticos de velocidades del equipo de forjado

Equipo

m/s

Prensa hidrulica

0.06 - 0.30

Prensa mecnica

0.06 - 1.5

Prensa de tornillo

0.6 - 1.2

Martinete de cada por gravedad

3.6 - 4.8

Martinete de cada mecnica

3.0 - 9.0

Contramartillo

4.5 - 9.0

Fuente: Manufactura Ingeniera y Tecnologa; S. Kalpakjian-S. Schmid; 5ta ed.

2.3.1. PRENSAS MECNICAS

Estas prensas son bsicamente de tipo manivela o excntrica (ver la fig. 2.6). La velocidad vara desde un mximo en el centro del recorrido, hasta cero en su parte inferior, por lo que son de carrera limitada. La energa en una prensa mecnica se genera con un gran volantn accionado por un motor elctrico. Un embrague acopla al volantn en un eje excntrico. Una biela traduce el movimiento giratorio en movimiento lineal alternativo.

(a) (b) (c)

Figura 2.6Esquema de los principios de diversas mquinas de forjado. (a) Prensa mecnica con accionamiento excntrico; la flecha excntrica se puede remplazar con un cigeal para dar movimiento al ariete arriba y abajo. (b) Prensa de junta articulada. (c) Prensa de tornillo.[footnoteRef:9] [9: Imagen tomada de: Manufactura Ingeniera y Tecnologa; S. Kalpakjian-S. Schmid; 5ta ed.]

Las prensas mecnicas tienen altas velocidades de produccin, son fciles de automatizar y requieren menos habilidad por parte del operador. Las capacidades de la prensa van de 2.7 a 107 MN (300 a 1200 Toneladas cortas). Las prensas mecnicas son preferibles para el forjado en partes de alta precisin.

Los recalcadores horizontales para trabajo en caliente y en frio y los cabeceadores fros para el trabajo en frio componen una clase especial de prensas. Para los cabeceadores fros el material se alimenta mediante rodillos posicionadores de agarre. El extremo de la barra o del alambre se deforma en pasos sucesivos que varan desde el recalcado simple hasta la operacin ms compleja combinada de forjado-extrusin. Los movimientos auxiliares se sincronizan con el del ariete principal y se emplean para abrir y cerrar las matrices, accionar punzones y transferir la pieza de trabajo de una cavidad de la matriz a otra. El material de la pieza de trabajo se corta de la barra o del alambre ya sea al inicio o al final de la secuencia. La construccin y mecanizacin de estas mquinas con frecuencia son muy ingeniosas, pero su rapidez de produccin es difcil de igualar con otras tcnicas.

2.3.2. PRENSAS HIDRULICAS

Las prensas hidrulicas funcionan a velocidades constantes y son de carga limitada. Una prensa hidrulica se detiene si la carga requerida excede su capacidad. Se pueden transmitir grandes cantidades de energa a una pieza de trabajo por medio de una carga constante a travs de un recorrido, cuya velocidad se puede controlar. En comparacin con las prensas mecnicas, las prensas hidrulicas son ms lentas y tienen costos iniciales ms altos, pero requieren menor mantenimiento.

Por lo general una prensa hidrulica consiste en un bastidor marco de forja con 2 o 4 columnas, pistones, cilindros, arietes, y bombas hidrulicas accionadas por motores elctricos. Las capacidades de prensado van de 125 MN (14000 Toneladas cortas) para forjado de matriz abierta, hasta 450 MN (50000 Toneladas cortas).

Las prensas hidrulicasse utilizan tanto paradado abierto como para dado cerrado en el forjado.El pistndeuna prensa hidrulicaes accionado porcilindros hidrulicos, que son parte de un sistema de alta presin hidrulica o hidroneumtica.Despus de una velocidad de aproximacin rpida, el pistn (conla matriz superioradjunta)se mueve aunavelocidad lenta, mientrasque ejercenunafuerza de compresinsobrela pieza de trabajo. La velocidad de presinpuedeser controlada con precisinpara permitir el controlde las velocidadesde flujodel metal, lo que esparticularmente ventajosoen la produccin detoleranciascerradas de forjado. Algunas prensasestn equipadas conun circuitode control hidrulicodiseado especficamente para laforja de precisin.

2.3.2.1. Ventajas y limitaciones[footnoteRef:10] [10: Traduccin de: ASM Handbook; vol. 14; edicin 2006.]

Las Prensashidrulicasson esencialmentemquinas de cargarestringida, es decir,su capacidadpara llevar a cabounaoperacin de conformacinest limitada principalmentepor la cargamxima disponible.Lassiguientes ventajas de las prensas hidrulicas son:

En impulsin directa de prensas hidrulicas,la cargamximade la prensaest disponibleen cualquier momentodurante la carrera del pistn.Enel acumulador de prensas con accionamiento, lacarga disponibledisminuyeligeramente en funcin de lalongitud de la carreraylas caractersticasde desplazamientode cargadel procesode conformacin.

Debido aque la carga mximase encuentra disponibledurantetoda la carrera, las energasrelativamente grandesestn disponibles parala deformacin.Estaes la razn porlo que laprensa hidrulicaes idealpara las operacionesde conformado como la extrusin que requierenunacargacasiconstante duranteun largo recorrido.

Dentro de la capacidad de una prensa hidrulica, la carga mximapuede limitarse a protegerel utillaje.No esposible superar lacargaconjuntaporqueunavlvulade liberacin de presinlimita la presin defluido que acta sobreel pistn.

Dentro de los lmitesdela mquina,lavelocidad del pistnpuedeser variadoa voluntad continuamente durante el recorrido completo.Los sistemas adecuadosde control puede regular lavelocidad del pistnconrespecto a la presinde conformacinola temperatura del producto.

La presin puedeser cambiadosegn se deseeen cualquierpunto de la carrera mediante el ajuste dela vlvula decontrol de presin.

La velocidad de deformacinpuede ser controlada ovariadadurante la carrerasi es necesario.Esto es especialmenteimportante cuando seforja metalesque son susceptibles aromperse avelocidades altas de deformacin.

Cuandola excesiva transferencia de calordela pieza de trabajoen calientealos troquelesnoesunproblema opueden ser eliminados,la accinsuavedeaplastamiento de una prensa hidrulico resulta en menores costos de mantenimientoy el aumento de la vida del troqueldebido al menorchoqueen comparacincon otros tipos equipos de forja.

Algunas delas desventajas de las prensas hidrulicasson:

El costo inicial deunaprensa hidrulicapuede sermayor que el deunaprensa mecnicaequivalente, especialmenteen rangosde tonelajes inferiores.

La accin deunaprensa hidrulicaes ms lentoque el deunaprensa mecnica.

2.3.2.2. Unidades de Prensa10

El funcionamiento de una prensa hidrulica es simple y se basa en el movimiento de un pistn hidrulico guiado por un cilindro. Hay dos tipos desistemas de accionamiento quese utilizanen las prensashidrulicas:de accionamiento directoy con unidad acumuladora (Fig. 2.7).

Prensasde accionamiento directo(Fig. 2.7a) para elforjado en matriz cerradapor lo general tienenun aceite hidrulicocomo medio de trabajo.Al comienzo dela carrera descendente,loscilindros de retornoson ventilados, permitiendo que elconjunto de pistn/correderacaiganpor gravedad. Cuando el pistn entra en contacto con la pieza de trabajo, el piloto de accionamiento de la vlvula de retencin entre el cilindro pistn y el depsito se cierra y la bomba acumula presin en el cilindro pistn. Los modernos sistemas de control son capaces de transiciones muy suaves en el modo de avance para el modo de forja.

Prensa con unidad Acumuladora (Fig. 2.7b) tienen generalmente una emulsin agua-aceite como medio de trabajo y uso de acumuladores de nitrgeno o carga de aire para mantener el medio bajo presin. Las unidades acumuladoras se utilizan en mquinas con 25 MN (2800 ton) de capacidad o ms. La secuencia de operaciones es esencialmente similar a la de la prensa de accionamiento directo, excepto que la presin se construye por medio de la presin de agua-aceite en los acumuladores. En consecuencia, la velocidad del pistn bajo carga no es directamente dependiente de las caractersticas de la bomba y puede variar, dependiendo de la presin en el acumulador, la compresibilidad del medio de presin, y la resistencia de la pieza de trabajo a la deformacin.

La prensa con unidad acumuladora pueden funcionar a velocidades ms rpidas que las prensas de accionamiento directo. La velocidad de la prensa permite trabajar ms rpido con los materiales, reduce el tiempo de contacto entre la herramienta y la pieza, y maximiza la cantidad de trabajo realizado.

Figura 2.7 Esquema del sistema de prensa hidrulica. (a) accionamiento directo. (b) unidad acumuladora[footnoteRef:11]. [11: Imagen tomada de: ASM Handbook; vol. 14; edicin 2006.]

2.3.2.3. Elementos de las instalaciones hidrulicas[footnoteRef:12] [12: Texto tomado de: http://www.juntadeandalucia.es]

MOTOR

BOMBA

ELEMENTOS DE TRANPORTE

REGULACIN Y CONTROL

ACTUADORES

DEPSITO

Figura 2.8 Diagrama de las instalaciones hidrulicas[footnoteRef:13] [13: Imagen tomada de: http://www.juntadeandalucia.es]

Bombas

Proporcionan una presin y caudal adecuado del fluido a la instalacin.

Datos necesarios de las bombas:

Caudal que proporciona.

Presin de trabajo.

Tipos de bombas:

De mbolo.

Rotativas.

Figura 2.9 Bomba rotativa de engranajes[footnoteRef:14] [14: Imagen tomada de: http://www.atmosferis.com]

Depsito

Su misin es recuperar el fluido despus de usarlo y mantener un nivel adecuado al uso de la instalacin.

Acondicionadores del aceite

Son dispositivos que nos permiten mantener el aceite en unas condiciones de limpieza adecuadas al uso de los elementos de la instalacin, de tal manera, que alarga la vida de sta. Estos elementos son:

Filtro

Es el encargado de retirar del aceite las partculas slidas en suspensin (trozos de metal, plsticos, etc.)

Manmetro

Se pone despus de la bomba e indica la presin de trabajo.

Red de distribucin

Debe garantizar la presin y velocidad del aceite en todos los puntos de uso. En las instalaciones oleo-hidrulicas, al contrario de las neumticas, es necesario un circuito de retorno de fluido, ya que este se vuelve a utilizar una y otra vez. El material utilizado suele ser acero o plstico reforzado y depende de su uso.

Elementos de regulacin y control

Son los encargados de regular el paso del aceite desde las bombas a los elementos actuadores. Estos elementos, que se denominan vlvulas, pueden ser activados de diversas formas: manualmente, por circuitos elctricos, neumticos, hidrulicos o mecnicos. La clasificacin de estas vlvulas se puede hacer en tres grandes grupos.

Vlvulas de direccin o distribuidores

Estos elementos se definen por el nmero de orificios (vas) y las posiciones posibles, as como por su forma de activacin y desactivacin.

Vlvulas antirretorno

Permiten el paso del aceite en un determinado sentido, quedando bloqueado en sentido contrario.

Figura 2.10 Vlvula antirretorno[footnoteRef:15] [15: Imgenes tomadas de: http://www.portaleso.com]

Vlvulas de regulacin de presin y caudal

Son elementos que, en una misma instalacin hidrulica, nos permiten disponer de diferentes presiones y caudales. Pueden ser estranguladoras, temporizadoras, etc. y se utilizan para modificar la velocidad de los elementos actuadores, tambin llamados de trabajo.

Figura 2.11 Vlvula estranguladora unidireccional15

Elementos actuadores o de trabajo

Son los encargados de transformar la energa oleo-hidrulica en otra energa, generalmente de tipo mecnico. Los podemos clasificar en dos grandes grupos: cilindros y motores.

Cilindros

Transforman la energa oleo-hidrulica en energa mecnica con un movimiento rectilneo alternativo. Los hay de dos tipos:

Cilindros de simple efecto

Slo realizan trabajo til en un sentido de desplazamiento del vstago. Para que el mbolo recupere la posicin de reposo se dota al cilindro de un muelle. Normalmente este muelle esta diseado para almacenar el 6 % de la fuerza de empuje, o bien, como es el caso de los elevadores hidrulicos, aprovechan la accin de la gravedad.

Figura 2.12 Cilindro de simple efecto retorno por muelle15

Cilindros de doble efecto

Estos elementos pueden realizar trabajo en ambos sentidos de desplazamiento. Sin embargo hay que tener en cuenta que la fuerza de avance y retroceso es diferente, ya que en un sentido hay que tener en cuenta el dimetro del vstago.

Figura 2.13 Cilindro de doble efecto15

Motores

Son elementos que transforman la energa oleo-hidrulica en energa mecnica de rotacin. Los hay de diversos tipos, entre los que cabe destacar: de engranajes, de pistones y rotativos de aspas.

2.4. HORNOS DE RECALENTAMIENTO[footnoteRef:16] [16: Texto tomado de: Hornos Industriales de resistencias; J. Astigarraga U y J. Aguirre O.; edicin 1999. ]

2.4.1. GENERALIDADES

Estos hornos tienen como objetivo fundamental el calentamiento de piezas para procesos tales como forja, extrusin, estampacin, y conformado. Se mantiene el estado solido de las piezas durante todo el proceso de calentamiento y pretenden ablandar trmicamente el material, para que sea ms fcilmente maleable en la operacin posterior.

Por esta naturaleza de este ltimo proceso las piezas no estn mecanizadas y el calentamiento y mantenimiento a temperatura en el interior del horno se realiza al aire (hornos de calentamiento elctrico) o en contacto con las llamas (hornos que queman combustibles lquidos o gaseosos). Por ello las piezas de acero se oxidan y descarburan o, simplemente, se oxidan los metales no frricos. nicamente en casos muy aislados se utilizan hornos que operan en atmsfera controlada.

En la eleccin del horno mas adecuado en cada caso intervienen fundamentalmente: la forma de las piezas y el metal o aleacin de que se trate, lo que define, por un lado, el mtodo de manipulacin de la piezas en el horno y, por otro, la temperatura final de calentamiento.

La clasificacin de los hornos de recalentar se presenta en la tabla 2.7

Tabla 2.7 Hornos de recalentar

APLICACIN

TIPO

HORNOS PARA ACERO DE 1000 a 1300 C

-De fosa

-De empujadora

-De vigas galopantes o largueros.

-De solera giratoria

-De rampa inclinada

-De carro continuo o de vagonetas

-De carro discontinuo

-De mufla

HORNOS PARA COBRE Y ALEACIONES DE 800 a 1100 C

-De empujadora

-De vigas galopantes

-De solera giratoria

-De induccin

HORNOS PARA ALUMINIO Y ALEACIONES DE 500 a 600 C

-De fosa

-De empujadora

-De solera giratoria

-De cadenas transportadoras

-De solera de rodillos

-De induccin

Fuente: Hornos Industriales de resistencias; J. Astigarraga U y J. Aguirre O.; edicin 1999.

En los hornos para acero el calentamiento se realiza casi exclusivamente por llamas procedentes de la combustin fuelleo o gas natural. En algunos casos podra utilizarse gasleo o propano y en contadas ocasiones energa elctrica por resistencias (calentamiento indirecto).

Como alternativa a los hornos anteriores de calentamiento por radiacin citaremos los:

Calentadores de induccin

Calentadores de resistencia directa

Los hornos para cobre y aleaciones pueden estar calentados por llamas directas, por resistencias (calentamiento indirecto) o por induccin. Por la temperatura de calentamiento este se realiza principalmente por radiacin excepto en los calentadores de induccin, evidentemente.

En los hornos para aluminio y aleaciones el calentamiento se realiza por llamas directas de gas natural, resistencias elctricas o induccin.

2.4.2. HORNOS DE RESISTENCIAS

Los hornos industriales de resistencias son aquellos donde la energa requerida para su calentamiento es de tipo elctrico y procede de la resistencia hmica directa de las piezas o de las resistencias elctricas dispuestas en el horno que se calientan por efecto Joule y ceden calor a la carga por las diversas formas de transmisin de calor (Fig. 2.14).

Figura 2.14 Horno de resistencias[footnoteRef:17]. [17: Imagen tomada de: Hornos Industriales de resistencias; J. Astigarraga U y J. Aguirre O.; edicin 1999.]

Si en un conductor circula electricidad, parte de la energa cintica de los electrones se transforma en calor debido al choque que sufren los electrones con las molculas del conductor por el que circulan elevando la temperatura del mismo; este efecto es conocido como efecto Joule en honor a su descubridor el fsico britnico James Prescott Joule.

El efecto de Joule fue definido de la siguiente manera: "La cantidad de energa calorfica producida por una corriente elctrica, depende directamente del cuadrado de la intensidad de la corriente, del tiempo que sta circula por el conductor y de la resistencia que opone el mismo al paso de la corriente". Matemticamente:

(2.10)

donde:

Q = Energa calorfica producida por la corriente expresada en Julios

I = Intensidad de la corriente que circula

R = Resistencia elctrica del conductor

t = Tiempo

As, la potencia disipada por efecto Joule ser:

(2.11)

donde V es la diferencia de potencial entre los extremos del conductor.

2.4.2.1. Resistencias de Calentamiento

El calentamiento de piezas por resistencias elctricas puede ser directo, cuando la corriente elctrica pasa por las piezas, o indirecto, cuando las piezas se calientan por radiacin, conveccin o una combinacin de ambas, procedente de las resistencias propiamente dichas ubicadas en las proximidades de las piezas.

En la figura 2.10 se muestran dos tipos de equipos de calentamiento por resistencia directa. El calentamiento por resistencia directa es adecuado para piezas metlicas de gran longitud y seccin pequea y uniforme, tales como barras, palanquillas, varillas, alambres y pletinas. Como se obtienen tiempos de calentamiento muy cortos, pueden acoplarse los equipos a la cadencia de laminacin, forja o conformado en caliente.

Figura 2.15 Equipos de calentamiento directo, intermitente y continuo17.

En la industria es mucho ms frecuente el calentamiento indirecto por resistencias elctricas. Dichas resistencias pueden ser:

1.- Barras, varillas, alambres o pletinas, dispuestos en las paredes de la cmara de calentamiento del horno, transmitiendo calor a las piezas por radiacin.

2.- Paquetes de resistencias de los mismos materiales que transmiten el calor por conveccin al aire o gases, y de stos, tambin por conveccin, a las piezas.

3.- Los mismos materiales, dispuestos en el interior de tubos radiantes, cuando la atmsfera interior del horno sea perjudicial para una vida razonable de las resistencias expuestas directamente.

4.- Resistencias blindadas, dispuestas en el interior de fundas metlicas de pequeo dimetro con un material cermico de llenado de las fundas metlicas. Se adquieren de fabricantes especializados y, normalmente, se aplican a temperaturas inferiores a las de las anteriores.

En la figura 2.11 se muestra una disposicin tpica de resistencias de alambre o pletina en las paredes laterales de un horno de carro para tratamientos trmicos hasta una temperatura mxima de 1100 C. Las resistencias van dispuestas en las paredes laterales y estn construidas con varillas gruesas debidamente plegadas y colgadas de ganchos.

Figura 2.16 Disposicin tpica de resistencias de calentamiento indirecto17.

2.4.2.2. Clasificacin de las resistencias

Las resistencias de calentamiento indirecto se clasifican del siguiente modo:

A. Metlicas,

B. No metlicas,

C. Tubos radiantes (Fig. 2.13), van colocados en la bveda del horno

D. Resistencias blindadas (Fig. 2.14), tpicas para calentamiento de lquidos en baos, tanques de temple, precalentadores de combustin, etc., que en el caso de calentamiento de gases van provistos, normalmente, de aletas para aumentar la superficie de intercambio.

Figura 2.17 Tubo radiante con resistencia de alambre en espiral sobre soporte cermico.

Figura 2.18 Resistencias blindadas de comercio.

A. Resistencias metlicas

Los materiales en la fabricacin de las resistencias metlicas en hornos industriales se pueden clasificar en tres grandes grupos:

A1. Aleaciones de base Ni-Cr, cuyas caractersticas principales se recogen en la tabla 2.8. De todas ellas la ms utilizada en resistencias de hornos elctricos es la primera, 80 Ni-20 Cr. La ltima aleacin, 20 Ni-25 Cr, se utiliza muy frecuentemente en la fabricacin de elementos mecnicos en el interior de los hornos, tanto a base de materiales laminados como de piezas fundidas.

Tabla 2.8 Caractersticas principales de aleaciones de base Ni-Cr.

Aleacin Ni-Cr

80-20

70-30

60-15

40-20

30-20

20-25

Composicin Aproximada

Ni %

80

70

60

37

30

20

Cr %

20

30

15

18

20

25

Fe %