CAPTULO 7
TRABAJO EN FRO DE LOS METALES
7.1 GENERALIDADES
Algunas piezas metlicas producidas por deformacin plstica son llevadas a su forma final por
trabajo en caliente, en general estos mtodos representan procesos de formado primario. Los
procesos del trabajo en fro involucran en su mayora mtodos para producir partes que
posteriormente se integrarn a una pieza terminada, por lo anterior se les denomina como
operaciones secundarias o de fabricacin. Por el incremento de la ductibilidad, inherente a la
disminucin de la temperatura, estos procesos no slo se podrn efectuar por cargas de
compresin, como en las operaciones de trabajo en caliente, sino tambin por compresin
indirecta, traccin biaxial, corte y doblez.
Cuando el proceso demanda grandes porcentajes de deformacin es necesario considerar
recocidos intermedios, como por ejemplo en la fabricacin de chapas delgadas o alambres de
dimetros pequeos.
El trabajo de la chapa metlica merece mencin aparte ya que estos procesos son comnmente
utilizados para la fabricacin de una gran cantidad de los objetos, como la carrocera de un
automvil, gabinetes para aparatos electrodomsticos (estufa, refrigerador, lavadora), perfiles
producidos a partir de cintas de metal, mobiliario de oficina, etc. Para dar una idea de lo anterior se
tiene que un 30% del acero producido, se utiliza en forma de lminas o placas, adems es
conveniente recordar que no nicamente la hoja de acero se emplea para los fines antes
mencionados.
Caractersticas de los procesos de trabajo en fro
Los procesos de trabajo en fro se caracterizan por:
a) Mejor acabado superficial
b) Tolerancias dimensionales ms estrechas
MODELADO DE PROCESOS DE MANUFACTURA
192
c) Cambio en las propiedades fsicas (se pueden ajustar las propiedades mecnicas de
acuerdo con las necesidades del producto)
d) Mayor capacidad para ser deformados por cargas de traccin.
e) Mayor consumo de energa para la deformacin
f) Anisotropa
g) Necesidad de recocidos intermedios, en el caso de grandes porcentajes de deformacin
Despus de la etapa en caliente el material deber decaparse, esto es, limpiar la superficie
mediante la eliminacin de la capa de xido, antes de proceder a su deformacin, ya que dichas
escamas limitarn la vida del herramental y producirn efectos muy negativos en el acabado y
tolerancias de las piezas producidas.
Clasificacin de los procesos efectuados en fro
Una forma de agrupar los procesos en fro es de acuerdo con la operacin realizada; esto es:
TABLA 7.1 Clasificacin de los procesos en fro
Estirado Compresin Doblez Corte o
desprendimiento
Procesos de aplicacin particular
Barras Tubos Alambre Rechazado Rechazado de
potencia
Embutido con
planchado
Acuado Laminado Calibrado Forja en fro Formado de roscas Extrusin Remachado
Doblado Rolado Doblado de placa
Rebordeado Engargolado Formado con
rodillos
Troquelado Punzonado Corte de cinta o
hendido
Recorte Perforado Escopleado Ranurado Lancetado Rasurado Corte con cizalla
Formados por alta energa Formado superplstico
CAPTULO 7. TRABAJO EN FRO DE LOS METALES
193
7.2 ESTIRADO DE ALAMBRE Y TUBO
Los procesos de estirado estn comprendidos dentro de los de compresin indirecta, ya que
aunque la carga aplicada para la deformacin es de traccin, sta provoca esfuerzos de
compresin, que son en s los responsables de la deformacin.
En alguna poca entre los siglos VI y X, los venecianos produjeron alambre de materiales suaves
al obligar a la materia prima a pasar por orificios de dimetro menor al de ella; dicha operacin se
efectuaba a mano, por lo que su aplicacin fue limitada. Se continu la produccin de "alambre"
por el mtodo tradicional en la poca, que era mediante el corte de cintas angostas a partir de
hojas previamente martilladas.
FIGURA 7.1 Banco manual para estirado de alambre a principios del siglo XIX
Estirado de alambre
La secuencia de fabricacin es:
Laminado en caliente decapado trefilado
Alambrn (recocidos intermedios)
En este mtodo la seccin del material se reduce, jalndola a travs de un dado (figura 7.2),
producido generalmente de carburo de tungsteno. El material es ahusado en un extremo de tal
manera que pueda pasar a travs del orificio del dado, para as sujetarlo con una mordaza y
proceder a la operacin (figura 7.3).
MODELADO DE PROCESOS DE MANUFACTURA
194
FIGURA 7.2 Dado de estirado
Al equipo utilizado se le conoce como banco de estirado. La operacin puede ser intermitente,
esto es, que cuando se termina la reduccin de todo el rollo de material, se pasa ste a la
siguiente etapa; lo ms usual es trabajar en serie o cascada, que es cuando el material pasa a
travs de varios dados de manera secuencial (figuras 7.3 y 7.4).
FIGURA 7.3 a) Banco de estirado accionado por varios motores, b) Banco de estirado en el cual
varios de los pasos de reduccin son accionados por un solo motor
CAPTULO 7. TRABAJO EN FRO DE LOS METALES
195
FIGURA 7.4 Diferentes disposiciones para un banco de estirado (figura superior banco
de estirado de 5 etapas, inferior banco de estirado de 7 etapas)
Para lograr lo anterior, la velocidad de los tambores se deber incrementar de acuerdo con la
reduccin sufrida por el material, lo cual se logra de las siguientes maneras:
Cada tambor de enrollado est accionado por un motor de CD, con un control de velocidad que
permitir ajustarla de acuerdo con la sincrona que se requiera. Dicho procedimiento es costoso,
tanto en el caso de que se empleen motores de CD o de CA con variador de frecuencia, por tal
motivo y con la finalidad de superar esta desventaja, se emplean mquinas accionadas por un
MODELADO DE PROCESOS DE MANUFACTURA
196
solo motor (figura 7.3b). Se tiene una serie de escalonamientos, cuyos dimetros estn
determinados por la velocidad perifrica necesaria, la que a su vez se determina por la reduccin
efectuada.
En la prctica es casi imposible lograr la relacin precisa del dimetro del escalonamiento con la
reduccin. Esto provocar entonces deslizamiento del material sobre el tambor y por lo tanto
friccin, dando como resultado el calentamiento del material. Es conveniente entonces que los
conos se encuentren inmersos en un bao de aceite. Independiente de dicho fenmeno, se
genera una gran cantidad de calor al fluir el material a travs del dado, y al ser la carga de
estirado, funcin del coeficiente de friccin; es conveniente entonces emplear recubrimientos para
disminuir el rozamiento, y mejorar a la vez el acabado superficial del producto, en este caso se
denomina al proceso como trefilado en seco. En otros casos el dado se encontrar inmerso en el
lubricante, y el proceso se conoce como estirado en hmedo.
Para producir barras (dimetro mayor de 6 mm), se utilizan mesas o camas de estirado (figura 7.5)
que pueden tener hasta ms de 30 m de carrera; en este caso son posibles velocidades
comprendidas entre los 10 y 30 m/min. Dichos equipos llegan a tener una capacidad an mayor a
las 130 toneladas de carga.
FIGURA 7.5 Mesa de estirado
Las mquinas de dados mltiples trabajan a velocidades mayores que las indicadas en el caso de
estirado de barras, pueden ser de hasta 600 m/min en el caso de estirado de alambre de acero y
de 2000 m/min para no ferrosos.
CAPTULO 7. TRABAJO EN FRO DE LOS METALES
197
Dado de estirado
En el proceso de estirado el elemento fundamental es el dado (figura 7.6). Consta de dos partes:
el dado o boquilla de estirado, que se produce de carburo de tungsteno para dados grandes o de
diamante para pequeos dimetros; y la cubierta o soporte, que se produce de acero y en el caso
de dados pequeos tambin se puede fabricar de bronce. La seccin transversal del dado se
mostr en la figura 7.2.
FIGURA 7.6 Dado con su buje de soporte (izquierda), diversos dados de carburo de tungsteno (derecha)
Las partes en que se puede dividir la seccin del dado son:
CAMPANA O ENTRADA DEL DADO. Se disea de tal forma que el material arrastre lubricante
con l. Su forma propicia que la presin hidrosttica se incremente, permitiendo as el flujo del
lubricante.
CONO O ZONA DE APROXIMACIN. Su ngulo es determinante en la carga requerida para el
proceso y ser definido de acuerdo con las caractersticas del material. En esta zona el metal
choca contra su superficie y al ser arrastrado hacia la salida reduce su seccin transversal.
ZONA DE DESLIZAMIENTO O DE AJUSTE DE LAS DIMENSIONES. En esta zona el dimetro
permanece constante y en realidad no hay reduccin, pero s produce una carga apreciable
debida a la friccin. Su principal funcin es la de permitir reajustes del dado, ya que ste sufre un
apreciable desgaste; si la longitud de la zona fuera cero no se podra recalibrar el dado, ya que al
hacerlo se perderan las dimensiones. Por tanto, la vida til del dado est en funcin de la
MODELADO DE PROCESOS DE MANUFACTURA
198
extensin de esta zona, por otra parte, si fuese demasiado extensa podra provocar la fractura del
material por exceso de carga. En la prctica su longitud es de aproximadamente 2/3 del dimetro
del dado.
SALIDA. Su conicidad permite la recuperacin elstica del material, asimismo, reduce la
posibilidad de desgaste cuando el dado est mal alineado.
El ngulo del dado, de acuerdo con lo que se indica en el inciso (c), es determinante en la carga
requerida. El ptimo ser aquel que minimice la energa necesaria para la deformacin, la cual
est determinada por tres componentes:
a) Trabajo de deformacin. Est definido por la deformacin inherente al proceso.
b) Carga de friccin. Depende del rea de contacto y por tanto de la conicidad del dado.
Un ngulo de entrada ms pequeo significa un rea de contacto mayor, considerando
una reduccin de referencia.
c) Trabajo redundante. Es la energa extra necesaria para doblar primero en una direccin
determinada las fibras del material y despus regresarlas a la direccin de flujo. Es
evidente que este trmino ser mayor cuando el ngulo del dado se incremente.
FIGURA 7.7 Efecto del ngulo del dado sobre la carga de estirado
El ngulo ptimo puede ser determinado a travs de un anlisis del lmite superior. En general, se
considera que a mayor resistencia del material, ms pequeo es el ngulo ptimo.
CAPTULO 7. TRABAJO EN FRO DE LOS METALES
199
TABLA 7.2 ngulo ptimo de algunos materiales
Metal ngulo ptimo
Aluminio 24
Cobre 12
Acero 6
Defectos del material
Las fallas del producto pueden atribuirse bsicamente a lo siguiente:
a) Defectos del material de partida, como podran ser grietas o fracturas.
b) Limpieza inadecuada. El material est todava recubierto con escamas de xido que producen
desgaste excesivo del dado y ralladuras sobre la pieza.
c) Mal acabado del dado. Produce rayas longitudinales en el producto.
La fractura del material es un caso extremo, en el que la carga de estirado supera la resistencia a
la traccin del material. Para una reduccin y conicidad fijas, esta posibilidad se incrementa con la
friccin.
Anlisis del proceso de estirado
El estirado de alambre, desde el punto de vista de su anlisis, es uno de los procesos de
conformado mecnico ms simples. El mtodo de anlisis se puede ir variando de acuerdo con la
complejidad y exactitud que se pretenda.
Presin de estirado considerando nicamente el trabajo de deformacin:
00Lne
f
A
A (7.1)
Este trmino no toma en cuenta ni la friccin ni tampoco el trabajo redundante.
Mediante el mtodo del planchn, esto es con base en el principio de conservacin de la cantidad
de movimiento, se puede determinar la carga requerida para el estirado de una barra de seccin
circular (figura 7.8):
MODELADO DE PROCESOS DE MANUFACTURA
200
FIGURA 7.8 Esfuerzos generados durante el estirado
De dicho anlisis se llega a:
00
11
Bf
e
AB
B A (7.2)
Considerando un material de seccin circular (alambre o barra)
2
00
11
Bf
e
DB
B D (7.3)
A partir de un anlisis similar, J.G. Wistreich propuso:
00 ln 1ef
AB
A (7.4)
En las ecuaciones anteriores no se tom en cuenta para su deduccin el trabajo redundante, ste
puede ser considerado a travs de un factor f, de acuerdo con:
*,f r
donde:
factor de trabajo redundante
* deformacin redundante o excedente, sta es mayor a la que corresponde al del metal que ha sido homogneamente deformado.
CAPTULO 7. TRABAJO EN FRO DE LOS METALES
201
Este factor se obtiene de la grfica esfuerzo-deformacin. Para esto se sobrepone la grfica del
material que ha sido estirado a la del material recocido (figura 7.6). Sobre sta se determina la
deformacin homognea producida por el esfuerzo de cedencia que presenta el material estirado.
Un mtodo alternativo para lo anterior consiste en un anlisis a travs del mtodo del lmite
superior:
0 00 2
22 Ln cot 2 cot 1 Ln
3 sen
21
f f f
e
f
R R Lf
R R R
L
R
(7.5)
donde:
( )f Funcin del ngulo de entrada
L Longitud de contacto del dado
0R Radio del material de partida
fR Radio del alambre
Otra expresin menos complicada pero no menos vlida, que se desarrolla por el mismo mtodo
es:
002
1 Ln tansen 2 3
ef
Dm
D (7.6)
Donde:
m factor de friccin
2tan
3 representa el trabajo redundante
A partir del concepto de geometra de la zona de deformacin se puede tambin inferir acerca del
trabajo redundante, ya que est ntimamente ligado con el coeficiente delta, que representa al
cociente del espesor medio a la longitud de la zona de deformacin.
Para el estirado de alambre se tiene:
21 1 r
r (7.7)
Donde:
semingulo de entrada
r reduccin en el estirado
MODELADO DE PROCESOS DE MANUFACTURA
202
Para la mayora de las operaciones de estirado se emplean ngulos de 6 a 10 y reducciones
dentro del rango del 20%; con estas condiciones, delta toma valores de 2 a 3. Mayores valores de
dicho parmetro correspondern a reducciones ms pequeas y ngulos mayores. Del anlisis de
datos experimentales se ha concluido que el factor de trabajo redundante ( ) est relacionado
con el factor en la forma
1 2 0.84.4
C C (7.8)
El ngulo ptimo (ngulo al que corresponde con la mnima energa de estirado) se puede
expresar a partir del valor de delta segn:
1
2
4.91
Ln1
op
r
(7.9)
Estirado de tubo
Los tubos sin costura son producidos en caliente mediante extrusin o por perforado de barras
slidas y posteriormente por estirado con rodillos. Con frecuencia son acabados por estirado en
fro para mejorar sus propiedades mecnicas, garantizar mejores acabados y tolerancias ms
estrechas, reducir el espesor de su pared o a la vez reducir su dimetro.
ETAPAS DEL PROCESO
Lingote de fundicin Formado del tubo Decapado Estirado de la barra hueca
(previamente formada por extrusin, o perforado y estirado)
Dependiendo del dimetro y las caractersticas del producto, se podr estirar (figuras 7.9 y 7.10)
por cuatro mtodos: tres de ellos demandan el empleo de un punzn o mandril. Dichos procesos
son:
Estirado sin mandril. Se utiliza para dimetros mayores de 6 mm, cuando no se requiere calibrar
con precisin el dimetro interior. En este caso, los esfuerzos cortantes a la entrada y a la salida
del dado son ms intensos, la deformacin redundante es mayor y como consecuencia las
CAPTULO 7. TRABAJO EN FRO DE LOS METALES
203
deformaciones por etapa necesariamente son ms reducidas que en aquellos mtodos que
empleen un mandril.
Estirado con mandril fijo. Se utiliza en el caso de tubos de mayor dimetro, evidentemente se
limita la longitud del tubo.
Estirado con mandril flotante. Permite el estirado de mayores longitudes. En este caso el mandril
es cnico a diferencia del utilizado en el caso anteriormente descrito que es cilndrico. Se puede
demostrar que si la carga debida a la friccin se reduce, se podrn obtener mayores
deformaciones por pasada. Un correcto diseo del mandril lograr reducciones por etapa de hasta
el 45%. Los principales inconvenientes del proceso se derivan de la dificultad para lograr una
adecuada lubricacin interior.
Estirado con mandril mvil. Los problemas de friccin interior con el mandril se podran solucionar
en el caso de utilizar uno de gran longitud que se desplace acompaando al tubo. Este mandril es
en realidad un alambre o barra, cuyo dimetro es igual al del interior que se pretenda para el tubo.
Para evitar problemas por soldadura debido a la presin y temperaturas inherentes al proceso, el
mandril se deber cubrir con un lubricante. A la salida el mandril se mueve con la misma velocidad
del tubo, donde sta es evidentemente mayor que la del material que se encuentra confinado en el
dado; esto provoca una carga de friccin en la interfase entre el mandril y el tubo, la cual se
contrapone a la existente entre el dado y el material, reduciendo as la carga de estirado.
FIGURA 7.9 Estirado de tubo (a) con mandril mvil (b) con mandril fijo
(c) con mandril flotante (d) sin mandril
MODELADO DE PROCESOS DE MANUFACTURA
204
FIGURA 7.10 En la figura superior se muestra esquemticamente el estirado con mandril flotante,
imagen inferior estirado con madril mvil y posterior suajeado
Una de las desventajas del proceso es la necesidad de retirar el mandril. Para efectuar esto,
deber aumentarse ligeramente el dimetro del tubo, lo cual se hace normalmente por rolado.
FIGURA 7.11 Mesa hidrulica de estirado para tubo
CAPTULO 7. TRABAJO EN FRO DE LOS METALES
205
Anlisis de las cargas que se presentan durante la operacin de estirado
En el caso de estirado sin mandril, el anlisis es similar al empleado para barra o alambre, con la
diferencia que se considera deformacin plana (figura 7.12), esto en virtud del espesor y
condiciones de deformacin.
FIGURA 7.12 Esfuerzos generados en la operacin de estirado de tubo
Para poder reducir el espesor del tubo, los ngulos del dado y del mandril no sern iguales,
debiendo por tanto ser mayor el primero. Adems no existe razn alguna para que los coeficientes
de friccin entre mandril y material, y entre ste y el dado sean iguales.
Las fuerzas que se presentan sobre el elemento diferencial analizado constan de cinco
componentes:
I) Debida al esfuerzo longitudinal
x x xd h dh D hD
II) Por la reaccin del dado
tanp Ddx
III) Por la reaccin del mandril
tanp Ddx
IV) Por la friccin sobre el dado
1p Ddx
V) Por la friccin sobre el mandril
2 p Ddx
MODELADO DE PROCESOS DE MANUFACTURA
206
Considerando el equilibrio de fuerzas:
1 2tan tan 0x x xd h dh D hD p Ddx p Ddx p Ddx p Ddx
tan tandh dx
sustituyendo y reordenando
1 2
0tan tan
x x
pdhhd dh pdh
Haciendo un cambio de variable, tal que:
1 2*tan tan
B
entonces:
1 * 0x xhd dh pdh B
Considerando el criterio de cedencia de Tresca, se tiene:
1 3 0
1 x
3 p
por lo tanto
0x p
Reordenando y sustituyendo se tiene:
1x xhd p B dh
*0 1x x xhd B dh
* *0 1x xhd B B dh
* *0 1
x
x
d dh
hB B
* *0 1
0xxB Bd
dh h
la solucin de la ecuacin es de la forma: 0
*
* * *00
1
1
e fhx
hx
B d dh
hB B B
CAPTULO 7. TRABAJO EN FRO DE LOS METALES
207
**
0 *0
11
Bf
e
hB
hB
donde: e representa el esfuerzo requerido para el estirado de tubo.
En caso de utilizar un mandril mvil, el anlisis difiere del que aqu se presenta, ya que la friccin
en la interfase mandril-material se opone a la que se presenta sobre el dado. Por lo tanto, para un
mandril mvil est dado por:
* 1 2
tan tanB
En el caso de que los dos coeficientes de friccin sean iguales, la ecuacin diferencial es:
0x xhd p dh
lo cual al integrar queda como:
00 lne
f
A
A
Expresin que representa a la carga para el caso de que no exista friccin. Si el coeficiente de
friccin entre el mandril y el material excede del que se presenta entre el material y el dado,
entonces el valor de B* es negativa y por tanto el esfuerzo de estirado resulta menor que para el
caso ideal sin friccin.
Otros mtodos de estirado
Las operaciones de estirado no solo se relacionan con alambre y tubo, tambin se debe de
considerar su aplicacin en productos planos (lmina), para sta existen los procesos de
rechazado y de embutido y estirado. En el proceso de rechazado (figura 7.13) la lmina es
obligada a deformarse sobre un mandril, el cual se encuentra rotando, esto por efecto de la
presin ejercida por una o varias herramientas romas (sin filo) [figura 9.16].
Este mtodo de conformado, de acuerdo con la presin ejercida puede presentar una reduccin
sensible en el espesor de la lmina, tenindose que el flujo se produce por cortante razn por la
cual es considerado como un proceso de formado por corte. Esto es si la carga ejercida por la
herramienta es lo suficientemente elevada, los esfuerzos no solo sern suficientes para doblar la
lmina sobre el mandril sino permitirn tambin reducir el espesor. En el caso en cuestin, si se
trata de formar piezas cnicas la relacin de espesores (inicial y final) estar en funcin del
MODELADO DE PROCESOS DE MANUFACTURA
208
semingulo del cono de acuerdo con la expresin 0 senft t ; si es menor de 30o
se
requerirn dos etapas para concluir el formado, teniendo un recocido intermedio entre stas.
El rechazado de potencia se refiere a la aplicacin de presin sobre la lmina a doblar sobre el
mandril por efecto de algn ingenio mecnico, particularmente las herramientas son accionadas
por pistones hidrulicos (figuras 7.13 y 7.14).
FIGURA 7.13 La operacin de rechazado se realiza al empujar la lmina mediante una
o varias herramientas sin filo, sobre el mandril; el cual se encuentra girando
FIGURA 7.14 Torno de CNC para rechazado
CAPTULO 7. TRABAJO EN FRO DE LOS METALES
209
FIGURA 7.15 Ejemplos de formado mediante rechazado
FIGURA 7.16 Rechazado por corte. En este caso existe
una reduccin apreciable del espesor
MODELADO DE PROCESOS DE MANUFACTURA
210
El rechazado permite formar superficies de revolucin y, por tanto, cuerpos huecos a partir de
chapa metlica, pudindose aplicar tanto a ferrosos como no ferrosos. Durante mucho tiempo se
utiliz madera y bronces para la produccin del mandril, se empleaba una especie de torno
sencillo (figura 7.17) conocido como torno de rechazado para hacer rotar la pieza de lmina
mientras esta era empujada contra el mandril por la herramienta. En la actualidad, el proceso se
realiza mediante pistones hidrulicos pudiendo todo el sistema programarse para obtener cuerpos
de revolucin ms complejos (mquinas CNC, figura 7.14).
FIGURA 7.17 Descripcin esquemtica del proceso de rechazado; lado derecho manual, lado izquierdo de
potencia, en la vista superior se aprecia una reduccin sensible de espesor, mientras que en la
inferior el espesor prcticamente se mantiene
7.3 FORMADO POR COMPRESIN
Existen diversos mtodos de formado por compresin. Varios de ellos son caractersticos del
formado en fro, mientras que otros son propiamente continuacin de mtodos que ya han sido
vistos previamente, como forja y laminacin y la extrusin (por impacto).
CAPTULO 7. TRABAJO EN FRO DE LOS METALES
211
Operaciones de forja
CALIBRADO. Es la forma ms simple de forja en fro, que consiste en una ligera operacin de
compresin de una pieza forjada con lo que se obtienen tolerancias cerradas y buenos acabados.
SUAJEADO. Este trmino se usa para denominar operaciones de forja; con frecuencia se refiere
al caso de aplicar cargas de compresin (figura 7.18), y permite que el material se deforme
libremente perpendicular a la fuerza aplicada.
El suajeado rotatorio (figura 7.19); esta operacin consiste en reducir el dimetro sobre parte del
largo de una varilla, barra o tubo. El suajeado rotatorio se hace en un par de dados cnicos. Los
dados se abren y cierran con rapidez, en tanto que la pieza de trabajo se gira y es alimentada a lo
largo. Las quijadas se insertan en la ranura de la flecha, al girar se provoca el desplazamiento
debido a los rodillos que se encuentran alrededor, y se provoca la deformacin. La pieza de
trabajo puede alimentarse a las quijadas en forma mecnica o a mano. Otra forma de suajeado
puede ser empujando un tubo dentro de un buje, en tanto que uno de ellos gira. Puede usarse un
anillo de bolas en una jaula en lugar de un buje. Los tubos pueden suajearse en un mandril para
soportar o para producir una forma interna o un rbol ranurado.
FIGURA 7.18 Diversas piezas producidas por forja en fro
MODELADO DE PROCESOS DE MANUFACTURA
212
FIGURA 7.19 En la imagen de la izquierda se muestra esquemticamente la operacin de una
suajeadora rotatoria, en la imagen del centro se presenta un niple producido por suajeado;
mientras que en la de la derecha se observa un equipo hidrulico para suajeado
CABECEADO EN FRO O RECALCADO. El formado de cabezas de pernos, remaches, tornillos y
otras piezas similares hechas en una mquina de cabeceado en fro es otra forma de estampado.
La barra del material previamente calibrado es alimentada por rodillos enderezadores hasta un
tope, y entonces se corta y se transporta a uno de los cuatro tipos de dados cabeceadores. En la
manufactura de clavos, la cabeza se forma antes del corte de alambre.
Se dispone de mquinas productoras de tornillos que los terminan completamente, antes de
abandonar la mquina. Las operaciones consisten en cortar una barra sobredimensionada, extruir
el cuerpo, cabecearlo, recortarlo, aguzarlo y laminarle la rosca. Todas las operaciones se llevan a
cabo simultneamente, con producciones mayores a 100 piezas por minuto.
ACUADO. Se trata de una operacin de forja en fro (figura 7.20), la cual se caracteriza por su
reducida deformacin restringida a la produccin de detalles finos en la superficie de la pieza sin
que exista flujo lateral; el ejemplo ms sencillo es el grabado de las monedas. Para lograr la
formacin de los detalles las presiones se pueden elevar en forma significativa (se alcanza hasta
del orden de 1400 MPa). El material utilizado para el acuado (cospel) primero es troquelado a
partir de hojas metlicas de un espesor aproximadamente igual al de las monedas a producir,
estas hojas a su vez provienen de un proceso de laminado en fro.
CAPTULO 7. TRABAJO EN FRO DE LOS METALES
213
FIGURA 7.20 La aplicacin ms usual del acuado es la produccin de monedas
REPUJADO. Es una operacin de deformacin por compresin la cual no demanda las altas
presiones inherentes al acuado. El punzn es usualmente con relieve, de tal forma que slo toca
la parte de la lmina que est siendo trabajada. Este proceso se emplea en la produccin de
medallones y elementos decorativos y en general en grabado sobre lmina delgada. Se considera
que el espesor del material no vara con la deformacin. Una variante del proceso es el grabado o
repujado rotatorio.
MODELADO DE PROCESOS DE MANUFACTURA
214
REMACHADO Y ESTACADO. En realidad ambos mtodos se pueden agrupar dentro de las
operaciones de ensamble. El remachado (figura 7.21) se refiere a la formacin de la cabeza de un
remache slido o a la formacin de un reborde para el caso de uno que fuera hueco. El estacado
tiene similar finalidad de la del remachado, en este caso el elemento que se va a ensamblar se
recalca en uno de sus extremos, de tal manera que la deformacin produce el ensamble de los
elementos.
FIGURA 7.21 Operaciones de remachado
CAPTULO 7. TRABAJO EN FRO DE LOS METALES
215
Formado por rodillos
En este proceso, el formado de la cinta se obtiene al hacerla pasar a travs de una serie de
parejas de rodillos que la forman progresivamente (figura 7.22), para al final ser soldada por
resistencia. El proceso es continuo, con velocidades de hasta 100 m/min. El nmero de estaciones
de rodillos depende de la geometra del perfil que se va a formar.
El equipo est constituido tanto por rodillos que trabajan en eje horizontal como vertical. Tambin
cuenta con rodillos gua y enderezadores al final del proceso. Este es un proceso de alta
produccin, ya que solamente as se justifica el alto costo del herramental.
FIGURA 7.22 Formado por rodillos de perfiles tubulares
FIGURA 7.23 En la imagen de la izquierda se muestran diferentes perfiles producidos por rodillos,
a la derecha se muestra un perfil al salir de una pareja de rodillos
MODELADO DE PROCESOS DE MANUFACTURA
216
ROLADO. Se trata de otro mtodo de formado de hojas o cinta de metal. En esta operacin el
metal se curva para obtener piezas cilndricas. La mquina est formada por tres rodillos del
mismo dimetro, dos se mantienen en posicin fija y el otro se puede desplazar axialmente para
ajustar el radio de curvatura de la hoja. Es evidente que a mayor distancia entre los planos que
contienen los ejes de rotacin de los rodillos, se incremente el dimetro del elemento. Aunque no
es usual la operacin tambin se puede efectuar con slo dos rodillos, de los cuales el inferior est
revestido de una gruesa capa de hule; despus se determina el radio de curvatura por la presin
ejercida por el rodillo superior.
Existen roladoras de muy diversos tipos: las accionadas manualmente, que se pueden emplear
para hojas desde calibre 16, hasta mquinas accionadas mecnicamente que pueden rolar placas
de ms de 25 mm de espesor (figura 7.24).
FIGURA 7.24 En la imagen de la izquierda se muestra esquemticamente el proceso de relado de
chapa metlica; a la derecha se presenta una roladora mecnica para placa de 10 a 35
mm de espesor y hasta 4 m de ancho
Existen otros mtodos de formado por flexin, como puede ser mediante dobladoras manuales
(figura 7.25a), las cuales se pueden utilizar para lminas de acero de hasta 4.9 mm de espesor
(calibre 6). Las dobladoras de cortina operan de acuerdo con lo indicado en la figura 7.25b, stas
permiten (de acuerdo con los herramentales a disposicin) generar perfiles ms complejos. En la
actualidad existen prensas de CNC.
CAPTULO 7. TRABAJO EN FRO DE LOS METALES
217
FIGURA 7.24 a) Dobladora de lmina. b) Dobladora de cortina. La mquina es CNC electro-hidrulica, puede
tener hasta 12 m de longitud de la mesa y 30000 KN de capacidad de carga
MODELADO DE PROCESOS DE MANUFACTURA
218
FIGURA 7.25 Ejemplos de perfiles obtenidos en la prensa de cortina
ENGARGOLADO. Este mtodo de formado se utiliza en la fabricacin de latas de chapa metlica.
Consiste en la generacin de dobleces en las pestaas de los botes. El engargolado se realiza
(figura 7.26) mediante series de pequeos rodillos los cuales doblan y planchan las orillas de tapa
y bote logrando con esto una unin slida y hermtica. En general este mtodo de unin se aplica
a lminas de pequeo espesor (generalmente menores de un milmetro). Se trata de un proceso
rpido y de bajo costo, las cargas aplicadas son funcin del material y espesor (para acero
inoxidable de 1 mm de espesor, dependiendo del tipo de engargolado se demandan menos de 40
ton). Si bien el mejor ejemplo de aplicacin del proceso es el ensamble de latas, ste puede ser
aplicado simplemente como mtodo de unin entre hojas metlicas.
FIGURA 7.26 Etapas en la formacin del engargolado para la fabricacin de latas
CAPTULO 7. TRABAJO EN FRO DE LOS METALES
219
FIGURA 7.27 Ensamble de un filtro de aceite y de una lata de 3 piezas por engargolado
FIGURA 7.28 Diferentes tipos de engargolados
FIGURA 7.29 Di|ferentes equipos engargoladores para botes
MODELADO DE PROCESOS DE MANUFACTURA
220
Operaciones de formado mediante corte
TROQUELADO. Esta operacin es una de las ms comunes en el procesamiento de lmina
metlica, permite en general la formacin de piezas a partir de chapa o cinta metlica. Desde
un punto de vista estricto, el troquelado se refiere al corte del material a partir de una cinta o
seccin de partida. Sin embargo, en Mxico el trmino se extiende a diversas actividades que
pueden acompaar al corte, esto es doblez, embutido, grabado, marcado, corte parcial; entre
otras. En particular, se distingue como troquelado al desprendimiento de un elemento til a
partir de la cinta, mientras que en el punzonado lo que se desprende es desperdicio. En una
gran mayora de las ocasiones no se lleva a efecto una sola operacin, sino que para producir
una pieza til se requerir de la combinacin de troquelado, punzonado, embutido, doblez,
grabado, los cuales pueden llevarse en diferentes herramientas (a las cuales se denomina
como troqueles) tenindose entonces troqueles simple (figura 7.30) o en su defecto efectuarse
en forma secuencial describiendo a stos como troqueles progresivos (7.31).
FIGURA 7.30 Troquel simple: 1.Perno de freno o lmite, 2. Buje gua, 3. Perno gua, 4. Tornillos de
sujecin, 5. Espiga gua, 6. Perno, 7. Placa de fijacin, 8 y 13. Porta troquel, 9.
Punzn,10. Placa gua, 11. Cinta, 12.matriz
CAPTULO 7. TRABAJO EN FRO DE LOS METALES
221
En ocasiones, un troquel puede realizar ms de una operacin durante la carrera de la prensa;
por ejemplo, troquelado y punzonado o troquelado y embutido, a este tipo de troqueles se les
denomina como compuestos (7.32). Su gran productividad y reducido costo la vuelven una
importante alternativa en la produccin de elementos terminados o semiterminados para
produccin en masa. En el troquelado se logra el corte del metal sin la produccin de rebabas,
tenindose que el desperdicio se presentar en la cinta.
FIGURA 7.31 Troquel progresivo. En este se lleva a efecto una operacin calizacin, 3. matriz de troquelado, 4.
herramienta de punzonado, 5. matriz de punzonado, 6. gua, 7. cde punzonado para despus proceder
al troquelado. 1. punzn de troquelado, 2. perno gua o de lointa, 8. pieza terminada, 9. Desperdicio
FIGURA 7.32 Operacin de un troquel compuesto que corta y embute. 1. Punzn de corte, 2. Punzn de embutido,
3. Placa de soporte, 4. Matriz de corte, 5. Expulsor, 6. Cinta metlica a troquelar, 7. Perno de
limitacin o freno, 8. Pieza cortada, 9. Pieza ya embutida, 10. Pieza final, 11. Desperdicio o calavera
MODELADO DE PROCESOS DE MANUFACTURA
222
El diseo de un troquel siempre es una operacin compleja cuya solucin no es nica, tiene
como funciones objetivo, desde luego, formar la pieza, optimar el aprovechamiento del material,
reducir el costo de la herramienta, facilitar su mantenimiento y su fabricacin. La primera etapa
del diseo del troquel es la determinacin de la secuencia de operaciones, para que, a partir de
sta definir los punzones y sus caractersticas, y con ellos, la matriz, para as conceptualizar
elementos de soporte y sujecin. Resulta evidente que el uso de las modernas herramientas de
CAD es un auxiliar invaluable en el momento de disear el troquel; sin embargo, un punto toral
del proceso sigue siendo la creatividad del diseador para conceptualizar la forma en que se
puede generar la pieza requerida.
FIGURA 7.33 Troquel progresivo de 10 etapas para alta produccin. Ntese que las guas
ya no emplean bujes sino sistemas antifriccin
CAPTULO 7. TRABAJO EN FRO DE LOS METALES
223
FIGURA 7.34 Dibujo de ensamble de un troquel progresivo
Existen diferencias sensibles entre los diferentes tipos de punzn, un piloto ser ms largo (se
distinguen tambin por ser redondeados en su extremo) que los punzones de corte, ya que su
finalidad es localizar puntos de referencia en la pieza y garantizar alineamiento y
posicionamiento de la cinta. Un punzn de embutido tendr filos redondeados para evitar el
desagarramiento o corte de la cinta durante el embutido. Un punzn de troquelado o
punzonado presentar filos vivos que en combinacin con el filo de la matriz y una holgura h
adecuada permitir realizar el desprendimiento del material sin desgarre ni doblez:
2
m pD Dh
Para la figura 7.35 la holgura es de 0.15 mm, que depender del material y de su espesor y
propiedades; si es adecuada se lograr un corte sin desgarres o rebabas. sta ser
0.045 0.05h t t para metales suaves, 0.06h t para aluminio duro y acero suave, y de
0.08 0.1h t t para metales duros, donde t es el espesor del material.
La carga de corte 0.7t m mf tl lt , donde l es el permetro de la pieza y m es el cortante
mximo del material y m es la resistencia mxima a traccin. Considerando la friccin y las
heterogeneidades, la carga de la prensa 1.3p tf f .
MODELADO DE PROCESOS DE MANUFACTURA
224
FIGURA 7.35 Holgura entre matriz y punzn
Si la operacin es de troquelado la medida se da a la matriz y la holgura se aplica al punzn
mientras que si se trata de un punzonado la holgura se aplica al definir las dimensiones de la
matriz.
El diseo de un troquel es una operacin que demanda creatividad y experiencia. Un buen
diseo permitir mximo aprovechamiento de la cinta y de la mquina, mnimas cargas,
menores demandas de mantenimiento y mayor duracin de la herramienta. Partiendo de lo
antes expuesto Vukota Boljanovic [V. Boljanovic , J.R. Paquin, 2006] proponen 14 etapas para
el diseo:
CAPTULO 7. TRABAJO EN FRO DE LOS METALES
225
Definicin del aspecto de la cinta. El primer paso en el diseo es desarrollar las etapas
de proceso de la pieza vistas sobre la cinta (figura 7.33).
Desarrollo de la matriz. Se dibujan las tres vistas de la matriz en conjunto con la cinta.
Desarrollo de los punzones. Los punzones de troquelado son dibujados por encima de
la matriz.
Desarrollo de los punzones de punzonado. Se procede ahora a su dibujo en su posicin
de operacin.
Se procede a dibujar la placa de sujecin de los punzones.
Diseo de los pilotos. Se dibujan los pernos piloto.
Se dibujan espaciadores y guas.
Se dibujan los pernos de lmite.
Se dibujan los pernos de freno o parada.
Se dibuja los separadores.
Se dibujan los elementos de sujecin (tornillos, pernos, etc.) de ensamble del troquel.
Se selecciona el portatroquel y se dibuja el ensamble de los diferentes elementos en
ste.
Se procede a elaborar el dibujo de fabricacin ya con sus dimensiones.
Se listan los materiales requeridos (con sus especificaciones) para la construccin del
troquel.
Operaciones de doblado
Una de las operaciones ms comnmente realizadas sobre lmina metlica es su doblez
(figura 7.36), para lo cual es necesario aplicar un momento flector que supere la resistencia
a la deformacin plstica del metal.
FIGURA 7.36 Descripcin esquemtica del proceso de doblado de cinta
MODELADO DE PROCESOS DE MANUFACTURA
226
El momento flector requerido para una cinta de espesor t y ancho b de un material con lmite
de cedencia 0 y radio al eje neutro nr , est dado por:
220 023
12
nb rM tE
mientras que la fuerza requerida para formar una pieza como en la figura 7.36 es
sendM
f LL
donde
es el ngulo de doblez
L es aproximadamente 2
d
dL t r
dr es el radio interior de doblado
E es el mdulo de elasticidad
En el rolado (figura 7.37) la carga est dada por
2
02
03 2
D tbf t ctg
D t E
D es el dimetro exterior de rolado y 12sen rl
D d, rl es la distancia entre los rodillos
inferiores y d es el dimetro de dichos rodillos.
FIGURA 7.37 Rolado de lmina o placa
CAPTULO 7. TRABAJO EN FRO DE LOS METALES
227
Operaciones de embutido Como ya ha sido mencionado el embutido es una de las operaciones con lmina ms comunes,
en sta se producen cuerpos huecos a partir de la cinta metlica. Para esto se dispone de una
matriz y de un punzn que empuja el material al interior de la matriz. Para evitar la formacin
de arrugas se tiene un pisador que permite el deslizamiento del material hacia la cavidad sin
generar estirado en ste (figura 7.38).
FIGURA 7.38 Etapas en la operacin de embutido
Para la determinacin de la carga y solicitaciones a las que se encuentra el material, observa el
modelo de la figura 7.38. Este modelo considera un material rgido plstico sin endurecimiento
y que no existe friccin del material con las herramientas.
Para evaluar el proceso (intensidad de la deformacin), se define el cociente de lmite de
estirado 0
f
dLDR
d , el cual para un material en particular puede referir a la mxima relacin
de dimetro inicial a final.
FIGURA 7.39 Anlisis de la carga de embutido
MODELADO DE PROCESOS DE MANUFACTURA
228
Para el anlisis se considera que la superficie total del material permanece inalterada, esto es
el espesor antes y despus del proceso ser constante.
0fA A
2 202 fr h
2 2 0fd r dh
2
2
fr dhd
fr dhd
Por su parte , 0, 0xx yy zz para una deformacin plstica 0xx yy zz
yy
dd
Como el eje z corresponde con el espesor y se considera que sobre ste no hay cambio.
0zzd
0xx yyd d
xx yyd d
La circunferencia es 2 , por lo tanto
y
dd
y como 2
fx y
r dhd d
donde fr es el radio del punzn, por otra parte,
ij ijdW d
considerando que , ,x y z representan valores principales
2 2x f y f z z
dh dhW r dV r
ya que 0z
2(( ) )x y f
dhdW r dV
CAPTULO 7. TRABAJO EN FRO DE LOS METALES
229
Considerando criterio de fluencia
0 2f
dhdW dVr
Lo cual se puede presentar como:
02 00 02 2 20 f
rf f f
rV
r r r t d dWdV dV
h
dV t d d
dW fdh
Wf
h
' 002 nf
f
rWr t L
h r
de todo lo expuesto se tiene que la carga de embutido est dada por:
002 nemb f
f
rf r t L
r
2emb fA r t
MODELADO DE PROCESOS DE MANUFACTURA
230
a partir de lo anterior se puede definir el esfuerzo de embutido por:
00 Ln
embemb
emb f
f r
A r
Para que no se presente adelgazamiento 0emb
La deformabilidad se define como el lmite de embutido ( )LDR , el cual representa al cociente
mximo de deformacin
0
f
LDR
0 0 00 0 0 0
2 2Ln Ln Ln
3 3emb
f f f
Considerando la condicin de igualdad
00 0
2Ln
3 f
03 Ln2 f
0 3exp2f
0 2.38f
Aunque en la prctica el valor de la deformabilidad lmite se restringe a:
2.1 2.2aLDR
Esto debido a la friccin y flexin que se presentan durante el proceso, otros autores [Vukota
Boljanovic, 2004] indican que la fuerza de embutido se puede determinar como
12emb ff r t
021 0 0
21.1 ln
2
p
f f e
fr te
r r t t r
CAPTULO 7. TRABAJO EN FRO DE LOS METALES
231
donde
es la friccin entre material y herramienta
fr es el radio medio de la pieza embutida
pf es la fuerza aplicada por el pisador
er es el radio de la esquina (borde) del punzn
En trminos generales el coeficiente de friccin cuando se lubrican las herramientas est entre
0.06 y 0.16 (acero, aluminio); mientras que en superficies sin lubricacin, ste puede alcanzar
de 0.18 a 0.35 (acero, aluminio).
DEFECTOS Y PROBLEMAS EN EL EMBUTIDO. Durante el embutido interactan una serie de
factores tales como la friccin, la carga del pisador, propiedades del material (resistencia,
formabilidad, anisotropa, etc) que pueden dar como resultado la obtencin de una pieza sana o
defectuosa.
HOLGURA. Si la pieza se fractura durante la operacin, esto se puede deber a un radio de
herramientas (dado y matriz) demasiado pequeo o a que la holgura est por debajo de lo
recomendado; todo esto se traduce en un estirado del material y su posterior desagarramiento.
PRESIN DEL PISADOR. Si la presin aplicada es muy elevada o el coeficiente de friccin se
incrementa sensiblemente se puede dar lugar a la fractura de la lmina durante su embutido.
La presin del pisador se puede calcular como
3
00.25 1200
fip m
f
rrp
r t
donde
fir es el radio interior de la pieza embutida.
La carga del pisador es
2202 2 2
4p fi e pf r r r p
RADIOS DE LAS HERRAMIENTAS. El radio del borde del punzn al igual que el de la matriz
son muy importantes, ya que si son muy pequeos se puede producir fracturas al deslizar el
material sobre stos. Asimismo se pueden producir marcas o rallones durante la operacin. Si
MODELADO DE PROCESOS DE MANUFACTURA
232
la presin del pisador es muy pequea o si el radio del borde de las herramientas es muy
grande, se puede dar lugar a la aparicin de arrugas y por consecuencia marcas en la pieza
embutida.
LUBRICACIN. Como ya ha sido mencionado, sta afecta tanto la capacidad de obtener una
pieza bien embutida, como tambin puede ser causa de incrementos en la carga, presencia de
marcas longitudinales y fractura del material; en cada caso se debe de revisar el lubricante ms
adecuado para el material [acero-aceites minerales, aluminio-aceites grasos sulfurados,
parafinas, aceites minerales, aceros inoxidables-aceites de maz, grafito, entre otros].
OPERACIN DE GRABADO. Es muy comn que las piezas requieran de algn grabado. Para
esto es necesario garantizar la deformacin superficial del material y la carga necesaria se
puede aproximar si se considera un proceso de indentacin. Analizando como tal el proceso se
llega a determinar (considerando material rgido-plstico sin endurecimiento y deformacin
plana), que para el caso de que no exista friccin
2.8862
indp
k
Mientras que para el caso de friccin sin deslizamiento
3.1752
indp
k
donde k representa al cortante crtico. Lo antes expuesto indica que la presin necesaria para el grabado superficial de la lmina es
del orden de tres veces el esfuerzo de cedencia del material.
En pginas anteriores se mencion al acuado, ste es un proceso de grabado por efecto de la
deformacin plstica que sufre el metal al ser sometido a una carga de compresin que genera
esfuerzos superiores al de cedencia, lo que se traduce en un endurecimiento superficial,
conservando el resto del material su tenacidad y propiedades, si bien se le relaciona con el
grabado de las monedas y medallas, en general, este proceso permite producir piezas con
tolerancias muy precisas y excelentes acabados. Donde la presin requerida para la
deformacin es del orden de 03 .