Operaciones de Conformado de Materiales: Procesos Clave y Mecánica Aplicada

Introducción a las Operaciones de Conformado

Hemos descrito y analizado brevemente cada una de las diversas operaciones básicas de conformado. Se espera que el lector haya adquirido una idea sobre estos procesos, especialmente sobre la mecánica involucrada. Sin embargo, existen muchas variaciones menores y mayores. En este artículo discutiremos algunas de estas junto con los aspectos tecnológicos asociados.

1. Laminación

Rara vez es posible lograr la sección transversal final en un solo paso. Generalmente, la laminación se realiza con varios pasos, usando diferentes equipos de laminación, de manera continua. El conjunto de la nave suele llamarse laminador. Al laminar tiras planas, es posible realizar las etapas sucesivas usando el mismo par de rodillos.

El rodillo superior se ajusta normalmente para controlar el espacio después de cada paso. Para evitar el problema de manipulación extensiva del material, es deseable disponer de la inversión del sentido de rotación de los rodillos. Como resultado, la pieza avanza y retrocede en pasos sucesivos. A veces, el espacio puede optimizarse usando un laminador de tres rodillos.

Laminación en Caliente y Molinos de Bucle

Durante la laminación en caliente, el lapso de tiempo debe minimizarse ya que la pieza se enfría continuamente. Esto debe ser una consideración principal en la distribución de un laminador. Normalmente, el movimiento de la pieza se facilita proporcionando rodillos de apoyo. Si una pieza es lo suficientemente larga y flexible, un laminador de tres rodillos puede disponer de algún arreglo para alimentar el segundo paso incluso antes de completar el primero. Esto se logra mediante lo que se conoce como molino de bucle (looping mill).

El bucle puede hacerse mecánicamente usando un tubo o canal curvado, conocido como repetidor. Una laminación continua de múltiples pasos también puede realizarse para una pieza larga y flexible disponiendo adecuadamente el equipo de laminación con un paso de rodillos cerca del otro.

Fuerza de Separación y Deflexión de Rodillos

Para una dada reducción de área, conocida como pasada, la fuerza de separación de los rodillos, que tiende a doblarlos, aumenta linealmente con el radio del rodillo R según la ecuación (3.20). Por tanto, la deflexión por flexión no puede controlarse eficaz y económicamente usando rodillos de accionamiento grandes. Una forma mejor y más económica de reducir la deflexión es usar rodillos de respaldo (backing rolls).

Se muestran dos métodos diferentes de uso de rodillos de respaldo. Dado que la fuerza de separación depende del radio de los rodillos de accionamiento, estos se mantienen siempre de tamaño pequeño, mientras que los rodillos de respaldo tienen mayor radio para aumentar la rigidez.

Sin embargo, cierta flexión de los rodillos es inevitable, pero puede compensarse usando rodillos no cilíndricos (Fig. 3.36a) que, bajo la fuerza de separación, se doblan, proporcionando así un espacio uniforme entre los rodillos (Fig. 3.36b). Los rodillos de la Fig. 3.36a se llaman rodillos con camber convexo. Con rodillos sin camber, el espesor de la tira laminada es mayor en el centro, como se explica en la Fig. 3.36c. Considerando los rodillos como vigas cortas y gruesas apoyadas simplemente en los extremos, la deflexión en el centro puede expresarse como:

δ = (λ₁·F·L³) / (E·I) + (λ₂·F·L) / (G·A)

Los valores típicos de λ₁ y λ₂ son 1.0 y 0.2 para una tira de anchura l, y 0.5 y 0.1 para una tira de anchura l/2.

Materiales y Parámetros de los Rodillos

La materia prima de entrada a un laminador es normalmente de sección transversal rectangular, llamada blum o billete según el tamaño. Para obtener una sección diferente después de laminar, la pieza debe someterse a varios pasos, usando rodillos de forma con geometría gradualmente cambiante. Por ejemplo, la Fig. 3.37 muestra cómo cambia la geometría del espacio entre dos rodillos al producir una varilla circular delgada a partir de un billete cuadrado.

Los rodillos se fabrican normalmente de acero fundido o forjado. Los hierros fundidos aleados se usan a veces para reducir costos. Características superiores de resistencia y rigidez pueden obtenerse usando aceros aleados especiales, que obviamente son más costosos. Los rodillos en caliente se rugosen (a veces incluso se entallan) para asegurar un buen agarre de la pieza, mientras que los rodillos en frío se rectifican para proporcionar una superficie fina que imparta un buen acabado al producto final.

Los principales parámetros de laminación incluyen: (i) el rango de temperatura (en laminación en caliente), (ii) el programa de velocidades de laminación, y (iii) la distribución de reducciones a los diversos pasos. Todos estos influyen en la precisión dimensional del producto y en sus propiedades físicas y mecánicas.

2. Forja

Existen muchas variaciones de la operación básica de forja, y las más comúnmente practicadas son:

(i) Forja a Martillo (Smith Forging)

Es probablemente el proceso de trabajo de metales más antiguo. Aquí, una pieza en caliente recibe la forma deseada usando herramientas manuales y martillos. Hoy en día se usan martillos accionados por energía para impartir golpes repetidos. El yunque y el martillo son mayormente planos y la forma deseada (por supuesto con variedades limitadas) se obtiene manipulando la pieza entre golpes.

(ii) Forja por Caída (Drop Forging)

En la forja por caída, se aplican cargas de impacto (golpes) a la pieza para causar flujo de metal y llenar la cavidad formada por las dos mitades del molde cerrado. Para asegurar el llenado completo, normalmente se proporciona un exceso de material. Este exceso fluye circunferencialmente formando una rebarba (flash) que se recorta posteriormente. Cuando la geometría del producto es compleja, puede ser necesario un conjunto de moldes para obtener la forma final.

(iii) Forja en Prensa (Press Forging)

En lugar de golpes repetidos, se aplica una fuerza gradual en la forja en prensa. Sin embargo, dependiendo de la complejidad de la pieza, puede requerirse un conjunto de moldes para obtener el producto final. Es obvio que aquí la alineación de las dos mitades del molde plantea un problema menor que en la forja por caída. Como la operación se completa en una sola carrera, debe preverse la salida del aire y el exceso de lubricante del molde.

(iv) Forja por Upsetting (Upset Forging)

En muchos casos, solo una porción de la pieza necesita forjarse. Un ejemplo común es la forja de la cabeza de un perno en un extremo de una varilla. Tal operación de forja localizada se conoce comúnmente como upsetting. La operación puede ser tanto en molde cerrado como abierto. Claramente, la operación implica una compresión longitudinal de la barra.

Por tanto, para prevenir el pandeo, se observan las siguientes reglas respecto a la longitud sin apoyo a forjar:

• (a) En operación abierta, la longitud de la porción sin apoyo (l) no debe exceder 3d, siendo d el diámetro de la pieza.
• (b) Si l supera 3d, debe realizarse una operación en molde cerrado con diámetro de molde D ≤ 1.5 d.
• (c) Si, durante una operación en molde cerrado, la longitud sin apoyo se extiende más allá de la cavidad del molde por una cantidad l₁, entonces l₁ ≤ d.

(v) Estampado Rotativo (Swaging)

El estampado rotativo es una variación especial de forja por impacto donde los golpes repetidos se obtienen por un movimiento radial de matrices conformadas. Esta operación se usa generalmente para reducir diámetros y conicidad de barras y tubos.

(vi) Forja por Laminación (Roll Forging)

La forja por laminación se realiza con dos rodillos semicirculares acanalados sostenidos por dos ejes paralelos. El proceso se usa para reducir el diámetro de varillas. La pieza calentada se coloca entre los moldes en posición abierta. Después de media revolución de los rodillos, la pieza sale laminada. Luego se coloca en la acanaladura menor y la operación continúa hasta lograr la dimensión deseada.

Diseño del Molde de Forja

Es obvio que el molde es uno de los componentes más críticos de la operación de forja, y el éxito del proceso depende considerablemente de su diseño. Las características básicas que debe tener un molde de forja son:

1. Para facilitar el flujo de metal alrededor de las esquinas, debe proveerse siempre un radio de filete adecuado. Esto también ayuda a prevenir el desgaste excesivo del molde y la fractura del metal cerca de las esquinas.
2. Como en un modelo de moldeo, todas las superficies verticales deben tener un desmoldeo adecuado para facilitar la extracción de la pieza del molde.
3. Como ya se mencionó, debe preverse un espacio alrededor de los bordes del molde para acomodar el exceso de material, conocido como rebarba (flash). Se recomienda proveer un canal para rebarba (flash gutter).

En forja en caliente, las dimensiones del molde deben incluir la contracción (para compensar la contracción del producto tras el enfriamiento) ya que el producto forjado normalmente no se somete a ninguna operación de acabado general. El molde suele hacerse de acero aleado de medio o alto carbono, ya que se somete a grandes cargas. La dureza (R_c) del molde está normalmente en el rango 45-60.

3. Estirado (Drawing)

La operación de estirado se usa principalmente para reducir el diámetro de barras y alambres. La velocidad de estirado varía desde 10 m/min para diámetros grandes hasta 1800 m/min para alambres muy finos. Para iniciar la operación, el extremo inicial de la materia prima se estampa a un diámetro menor para facilitar su entrada en la matriz.

Además, para prevenir cualquier acción de impacto, la operación se inicia a baja velocidad. En reducciones grandes, la operación puede realizarse en varios pasos. Dado que se genera calor suficiente por el trabajo en frío continuo, puede ser necesario refrigerar la matriz con agua. A veces, un tubo también se estira a través de una matriz de estirado, y en este caso la operación se llama hundido (sinking).

Normalmente, una matriz grande se hace de acero de alto carbono o alta velocidad, mientras que el carburo de tungsteno se usa para matrices de tamaño medio. Para estirar alambre fino, la matriz es de diamante.

4. Estirado Profundo (Deep Drawing)

De la mecánica del proceso de estirado profundo se deduce que se debe intentar estirar la chapa metálica hacia el molde lo máximo posible. Esto ayuda a minimizar el adelgazamiento de la pared de la copa. Consecuentemente, la circunferencia exterior del blank se reduce, causando un esfuerzo circunferencial compresivo que, al exceder un límite, puede resultar en arrugado plástico del borde de la copa. Estas arrugas no pueden eliminarse después, pero pueden evitarse usando un prensablank (blank holder).

Sin embargo, una presión excesiva del prensablank resiste el estirado fácil del material hacia el molde. Si la relación de estirado (definida como r_j/r_d) no supera 1.2, la operación puede realizarse incluso sin prensablank. Valores mayores de la relación de estirado pueden lograrse dependiendo del espesor del blank y el perfil del molde.

Cuando la relación entre el diámetro del blank y el diámetro final de la copa es demasiado grande, la operación se realiza en más de una etapa. Las operaciones sucesivas de estirado después de la primera se conocen como re-estirado (redrawing). Las figuras 3.44a y 3.44b muestran dos operaciones típicas de re-estirado. La de la Fig. 3.44b se denomina re-estirado inverso (reverse redrawing), porque la copa inicialmente estirada se voltea del revés. Esta operación parece implicar un trabajo más severo del material que el re-estirado convencional.

Sin embargo, la situación real es la opuesta. En el re-estirado convencional (Fig. 3.44a), el material se dobla en direcciones opuestas alrededor del prensablank y las esquinas del molde. En el estirado inverso (Fig. 3.44b), el material se dobla en una sola dirección, a lo largo de las esquinas exterior e interior del molde. En un caso extremo, el molde puede proveerse de un borde redondeado (Fig. 3.44c), resultando en un trabajo menos severo del material.

Dado que cierto endurecimiento por deformación ocurre durante la operación inicial, el recocido (para restaurar la ductilidad) se aconseja normalmente antes de iniciar el re-estirado.

En general, el flujo de metal no es uniforme en toda la pieza y en la mayoría de los casos las piezas estiradas deben recortarse para eliminar el metal no deseado. Este recorte puede hacerse mediante operación manual o usando una matriz de recorte separada.

El desprendimiento de la pieza del punzón puede lograrse mecanizando un ligero alojamiento en la cara inferior de la matriz de estirado. Durante la carrera de retorno, se elimina la presión del punzón sobre la copa; como resultado, la copa estirada tiende a recuperar su forma. Debido a esta acción, el alojamiento evita que la copa se mueva junto con el punzón durante su carrera ascendente.

5. Doblado (Bending)

El análisis de la operación de doblado que hemos dado es aplicable solo cuando se requieren esquinas en chapa metálica. Sin embargo, formas más complejas también pueden obtenerse. En general, tal operación puede necesitar más de una etapa. Para producir una forma compleja, el doblado se realiza continuamente usando una serie de rodillos conformados. Se usan rodillos ociosos cuando es necesario para presionar la pieza lateralmente durante la producción de dicha forma.

Los tubos y otras secciones huecas también pueden doblarse enrollando la pieza alrededor de un bloque de forma mediante un rodillo limpiador (wiper roll). Si el rodillo limpiador tiene curvatura constante, puede estar bisagrado en el centro de la curvatura a producir. La figura 3.48 explica tal operación para doblar un tubo. El tubo puede prevenirse de colapsar rellenando el espacio interior con material de relleno, p.ej., arena.

6. Extrusión

La extrusión es uno de los procesos de trabajo de metales con mayor potencial y utilidad, y tiene numerosas variaciones en su modo de aplicación. Puede realizarse tanto en caliente como en frío. La extrusión en caliente ayuda a reducir la carga de trabajo (especialmente para materiales de alta resistencia) pero plantea más problemas como disposición de refrigeración y desgaste rápido del molde.

Del análisis para un proceso simple de extrusión directa (forward extrusion), queda claro que en este proceso directo, todo el lingote debe moverse hacia adelante, resultando en grandes pérdidas por fricción y alta carga de trabajo. Como consecuencia, el contenedor se somete a altas tensiones radiales.

Extrusión Inversa (Backward Extrusion)

Las dificultades anteriores pueden evitarse usando un proceso de extrusión inversa donde el lingote permanece estacionario. Así, la fuerza de fricción está ausente entre el lingote y el contenedor y actúa solo en la interfaz molde-contenedor. La magnitud de esta última es mucho menor que la fuerza de fricción en extrusión directa. Por tanto, la carga de trabajo se reduce y es independiente de la longitud del lingote.

Extrusión de Secciones Tubulares

Las secciones tubulares también pueden extruirse usando un mandril junto con el émbolo. Tanto productos de extremo abierto (Fig. 3.51a) como cerrado (Fig. 3.51b) pueden obtenerse según la forma del blank inicial. El mandril puede estar fijo al émbolo o a un cuerpo separado.

Extrusión por Impacto e Hidrostática

Latas de pared delgada pueden obtenerse por extrusión por impacto. Este proceso se limita a materiales blandos y dúctiles y normalmente se realiza en frío.

En lugar de aplicar la carga directamente al lingote mediante el émbolo, puede usarse un medio fluido. Este proceso se conoce como extrusión hidrostática; aquí se elimina la pérdida por fricción en la interfaz lingote-contenedor.

Una ligera variación ofrece la posibilidad de extruir materiales relativamente frágiles. En esta, además de la gran presión hidrostática aplicada al lingote, el producto en la cámara receptora se mantiene bajo una presión menor (aproximadamente la mitad de la aplicada al lingote). El material se somete a menores gradientes de deformación. Es posible producir objetos muy grandes, pero al ser el proceso inherentemente lento, su aplicación es limitada.

Extrusión de Cavidad Cerrada con Molde Dividido

Para producir una pieza con forma compleja y sección transversal no uniforme, puede usarse extrusión de cavidad cerrada con molde dividido. El proceso es similar a la forja en molde cerrado.

Todos los lingotes suelen tener una capa de óxido. Durante un proceso normal de extrusión, esta capa puede introducirse en el núcleo del producto (reduciendo sus características de resistencia) a menos que se asegure un flujo laminar durante la deformación plástica. Los lubricantes deben usarse entre lingote, molde y contenedor no solo para reducir la carga de trabajo sino también para mantener el flujo laminar. Como resultado, la superficie exterior del lingote forma la piel del producto. Este principio de mantener la capa superficial también se usa en extrusión en caliente de materiales de alta resistencia y productos revestidos (clad).

Extrusión de Aceros y Aplicaciones Nucleares

El rango de temperatura del lingote durante la extrusión en caliente de aceros es 1200-1500°C. El molde debe mantenerse a temperatura más baja (~200°C) para evitar desgaste excesivo. Fibras (o polvos) de vidrio se usan normalmente como lubricantes, ya que la viscosidad del vidrio es sensible a la temperatura. Así, la viscosidad es alta en la superficie del molde, protegiéndolo bien contra el desgaste y facilitando la formación de una piel de vidrio (~0.025 mm) en el producto. Al mismo tiempo, la carga de trabajo se reduce ya que la viscosidad del vidrio es mucho menor en la interfaz lingote-contenedor.

Otra aplicación útil de este proceso de revestimiento es la producción de barras de combustible nuclear radiactivo, p.ej., uranio y torio. La barra se encaja en cobre o latones, menos reactivos a los gases atmosféricos, protegiendo la barra de oxidación y contaminación. El lingote se prepara con la cubierta de material de revestimiento.

7. Punzonado y Corte (Punching and Blanking)

Aunque el punzonado y el corte son las operaciones más comunes de chapa metálica que implican cizallado, existen otras similares: (i) entallado (notching), (ii) lanceado (lancing), (iii) hendido (slitting), (iv) nibbling, y (v) recorte (trimming).

En el entallado, se remueve material del lado de una chapa, mientras que el lanceado hace cortes parciales sin producir desperdicio. El lanceado se combina frecuentemente con doblado para formar lengüetas. El hendido corta una chapa enrollada longitudinalmente para producir tiras más estrechas.

En el nibbling, formas complejas se recortan de una chapa produciendo entallados superpuestos partiendo del borde exterior o de un agujero punzonado. Sin herramienta especial, un punzón simple, redondo o triangular de pequeñas dimensiones se hace reciprocante en una ubicación fija. La chapa se guía para obtener la forma deseada. El recorte se refiere a la remoción de material excedente en un borde o rebarba.

Diseño de Matrices Compuestas y Progresivas

Para optimizar espacio y tiempo, más de una operación puede realizarse en una carrera, usando más de un conjunto de molde y punzón en el mismo ensamblaje. Tal ensamblaje se conoce como molde compuesto (compound die). Debe notarse que el punzón y molde de corte están en posición invertida. Es obvio que el perforado del agujero interior debe realizarse antes del corte. A veces, una combinación de estirado (o doblado) y corte también se usa por economía.

En la situación anterior, más de una operación se realiza en una sola ubicación. Sin embargo, también es posible usar una serie de elementos molde-punzón en diferentes ubicaciones. Aquí, una operación se realiza en cada estación y la materia prima avanza a la siguiente. Así, una operación continua es posible. Tal ensamblaje de moldes se llama molde progresivo (progressive die).

Optimización del Desperdicio (Nesting)

Otro aspecto importante del corte es minimizar el desperdicio mediante un diseño óptimo de distribución (nesting). La restricción del espacio mínimo entre el borde del blank y el lado de la tira es g = t + 0.015h, donde t es el espesor de la tira y h la anchura del blank.

El espacio entre los bordes de dos blanks sucesivos (b) depende del espesor t. En un blank circular, algún ahorro de desperdicio solo puede lograrse mediante la elección de múltiples filas.

8. Procesos de Conformado a Alta Tasa de Energía (HER)

En todos los procesos de conformado discutidos, se usan fuentes de energía convencionales. Además, pueden usarse fuentes químicas, magnéticas y de descarga eléctrica. Dado que en todos estos procesos la tasa de flujo de energía es de un orden mucho mayor, se llaman comúnmente procesos de Alta Tasa de Energía (HER). Como la energía cinética de un cuerpo en movimiento es proporcional al cuadrado de su velocidad, una gran cantidad de energía puede suministrarse por un cuerpo relativamente pequeño moviéndose a alta velocidad.

Por ejemplo, una prensa de 500 kN moviéndose 0.15 m entrega 75 kJ. Aproximadamente la misma energía puede entregarse por un martillo de 42 kN golpeando a 6 m/s. Sin embargo, un frente de agua de solo 26 N, movido a 240 m/s por una carga explosiva, puede suministrar la misma energía. Este principio permite máquinas y equipos más compactos.

Comparación de Potencia

• Prensa: tiempo típico 0.5 s → 150 kW
• Martillo de caída: 0.06 s → 1.25 MW
• Operación explosiva: 0.0007 s → 107 MW

El último caso resulta en la máquina más compacta y potente. Las operaciones de conformado a alta velocidad, como el conformado explosivo y por descarga eléctrica, se basan en este principio.

Tres Procesos HER Comunes

i. Conformado Explosivo

La Fig. 3.60 muestra dos esquemas. En ambos, una onda de choque en el medio fluido (normalmente agua) se genera detonando una carga explosiva. Para piezas pequeñas, todo el frente de onda se usa en espacio confinado; para objetos grandes, solo una parte. La operación no confinada es menos eficiente, pero hay mayor riesgo de fallo del molde en la confinada por la falta de control inherente.

Explosivos típicos: TNT y dinamita para alta energía, pólvora para baja. Con explosivos de alta potencia sobre la pieza, presiones hasta 35 kN/mm². Con explosivos bajos, limitadas a 350 N/mm².

Con agua como medio transmisor, la presión pico p viene dada por: p = K·(W/R³) (donde W es el peso del explosivo, R la distancia de separación).

ii. Conformado Electrohidráulico

La descarga eléctrica en forma de chispas, en lugar de explosivos, genera una onda de choque en un fluido. Un banco de capacitores se carga y luego se descarga mediante chispa en el espacio entre electrodos. Las características son muy similares al conformado explosivo. El nivel de energía es menor. La presión pico sobre la pieza es función de la energía descargada y la distancia de separación.

iii. Conformado Electromagnético

Al igual que en el electrohidráulico, la energía eléctrica se almacena primero en un banco de capacitores y luego se descarga a través de una bobina. Esta produce un campo magnético cuya intensidad depende de la corriente. Como la pieza metálica está en este campo variable, se induce una corriente en la pieza que establece su propio campo magnético. Las direcciones de estos campos hacen que la bobina rígida repele la pieza hacia el molde. La pieza debe ser eléctricamente conductora pero no necesariamente magnética. La vida corta de la bobina es el principal problema.

9. Cunado (Coining)

El cunado es una operación de forja en molde cerrado que imparte la variación deseada en el espesor (debido a restricciones laterales) a piezas delgadas y planas. Como su nombre indica, se usa ampliamente en la producción de monedas y otros objetos que requieren una impresión bien definida de la cara del molde.

10. Laminado de Roscas (Thread Rolling)

Para producción en masa de objetos roscados (pernos, tornillos), dos matrices planas reciprocantes (o rodillos roscados girando en direcciones opuestas) pueden usarse para obtener la rosca en la pieza mediante deformación plástica. Es básicamente una operación de laminación, de ahí el nombre.

11. Perforación de Tubos (Tube Piercing)

La producción de tubos sin costura es muy importante y se logra comúnmente por perforación de tubos. En esta operación, una barra maciza se fuerza a fluir sobre un mandril en un extremo mediante dos rodillos inclinados girando en direcciones opuestas. La velocidad e inclinación de los rodillos deciden la tasa de alimentación. La operación se realiza en caliente.

La acción simultánea de compresión y rotación de los rodillos deforma el material a forma elíptica y desarrolla una grieta a lo largo del eje mayor. Una rotación adicional hace que la grieta se expanda y se transforme en un agujero que finalmente es conformado y dimensionado por el mandril.

12. Conformado por Girado (Spinning)

En el proceso de girado, un objeto con superficie de revolución se produce a partir de chapa metálica. El blank se sostiene contra un molde de forma que gira y la chapa se extiende sobre este, usando una herramienta o rodillo de forma especial. Si se produce un adelgazamiento simultáneo de la chapa, el proceso se llama girado por cizallamiento (shear spinning).

13. Conformado por Estirado (Stretch Forming)

En una operación de doblado de chapa, siempre se desarrolla tensión compresiva que, en ciertas circunstancias, puede ser lo suficientemente grande como para causar pandeo local o arrugado. Estos problemas pueden evitarse manteniendo la tira metálica bajo tensión durante la operación. Este proceso de estirado y doblado simultáneo se llama conformado por estirado.