Entendiendo los Procesos de Conformado: Tipos, Aplicaciones y Beneficios

El conformado es una de las técnicas de fabricación importantes en la ingeniería moderna. Casi muchos objetos que usamos en la vida diaria se fabrican mediante métodos o procesos de conformado.

Ejemplos: bola de bolígrafo, válvulas hidráulicas y neumáticas, tubos de pasta dental, recipientes de cocina, cadenas, aspas de ventilador, etc.

El conformado de metales se usa ampliamente por sus ventajas: rentabilidad, propiedades mecánicas mejoradas, alta resistencia, mayor productividad y mejor ahorro de material.

El conformado tiene aplicaciones en aeroespacial, automoción e industrias de defensa.

Un vehículo típico usa piezas como llantas, carrocería, chasis, válvulas hechas por conformado.

En este artículo estudiaremos qué es el Conformado y cuáles son los diferentes tipos de procesos de conformado en detalle. Luego veremos ventajas, desventajas y aplicaciones.

Historia del Proceso de Conformado

El descubrimiento de un colgante de cobre en el norte de Irak alrededor del 8700 a.C. se estableció como la primera operación conocida de minería y trabajo industrial de metales. La minería de cobre se documentó en América ya en 4000-5000 a.C. en el Lago Michigan.

Los metales crecieron en importancia para sus civilizaciones, volviéndose esenciales para operaciones de construcción, y el trabajo del metal se convirtió en componente importante de la sociedad.

El arte de trabajar metales ahora abarca una amplia gama de profesiones e industrias.

El conformado y moldeado de metales es una especialidad. Desde la antigüedad, las técnicas han evolucionado significativamente, y las máquinas ahora realizan la mayoría del moldeado.

Por ejemplo, el conformado por laminación se logra con equipos de laminación de alta calidad. Es un método de doblar una tira continua de metal en cierta forma.

Una máquina de conformado por laminación consta de una serie de rodillos que doblan el metal en forma en movimiento continuo. Solo una pequeña porción se dobla por cada par de rodillos, también llamados hilos. El metal se lamina hasta cumplir los requisitos.

La evolución del trabajo del metal se ve en el arte de la laminación. El uso de máquinas y equipos de laminación son ejemplos de cómo la industria ha progresado.

¿Qué es el Proceso de Conformado?

El conformado de metales es un proceso de fabricación de componentes de formas deseadas deformando el material plásticamente, mediante la aplicación de fuerza compresiva, flexión o cizallamiento, fuerza de tracción, o combinaciones de todas, sin añadir ni remover material.

Tipos de Procesos de Conformado

El Proceso de Conformado se ha clasificado en dos grupos: Conformado Masivo (Bulk-forming) y Conformado de Chapa.

#1. Conformado Masivo

El conformado masivo produce grandes volúmenes de productos cuya relación superficie/volumen es baja.

Para lograr el mecanizado, se procesan fuerzas de tracción, compresión, cizallamiento, o combinación de dos.

Se lleva a cabo en maquinaria con juegos de herramientas y matrices. El uso de herramienta y matriz indica que la matriz tiene la forma del producto a producir y la herramienta se presiona contra la matriz para generar la forma en el material.

El conformado masivo involucra: Laminación, Forjado, Extrusión y Estirado (Drawing).

1.1 Laminación (Rolling)

Proceso típico para fabricar productos semi-acabados (varillas, chapas, planchas) y acabados (ángulos, perfiles U, perfiles). Puede hacerse en caliente y en frío.

El billet en forma de placa se comprime entre dos rodillos que giran en sentido opuesto, reduciendo el espesor y fabricando una nueva forma. Los rodillos rotatorios jalan la placa y la comprimen. El producto final es el billet de tamaño reducido.

Han evolucionado variedad de trenes de laminación para producir diferentes artículos.

1.2 Tren de Laminación de Dos Rodillos (Two-High)

Consta de tres soportes separados con dos rodillos horizontales apilados. Uno o ambos rodillos son ajustables. El metal pasa entre dos rodillos que giran a misma velocidad pero direcciones opuestas.

1.3 Tren de Tres Rodillos (Three-High)

Tres rodillos, uno sobre otro. Dos se usan a la vez para una pasada; la dirección no se altera.

La chapa se traslada a los dos rodillos inferiores para reducción adicional tras usar los dos superiores. El ciclo se repite hasta lograr la reducción deseada.

1.4 Tren de Cuatro Rodillos (Four-High)

Dos rodillos pequeños para reducir espesor y dos grandes de respaldo para soportar los pequeños.

Al reducir el área de contacto rodillo-chapa con rodillos cortos, se reduce la fuerza requerida. Los rodillos grandes de respaldo reducen la deflexión elástica de los pequeños.

1.5 Tren en Racimo (Cluster Mill)

Dos rodillos de trabajo y cuatro o más de respaldo. El número de respaldos depende del soporte necesario para los rodillos de trabajo (diámetro pequeño). Normalmente usados en laminación en frío.

1.6 Laminación de Anillos (Ring Rolling)

Método que lamina un anillo de paredes gruesas y diámetro menor en uno de paredes delgadas y mayor diámetro.

Al comprimirse el anillo grueso, el material deformado se alarga, aumentando el diámetro.

1.7 Forjado (Forging)

Método de conformado masivo donde fuerzas compresivas y de tracción se aplican a una pieza o billet para fabricar el producto final usando un par de herramientas: matriz y punzón.

Se pueden usar matrices abiertas o cerradas. Generalmente, forjado a matriz abierta forma materias primas en forma adecuada para posterior conformado o mecanizado.

El billet se comprime entre dos matrices con contorno conformado para generar la forma en el billet, obteniendo el producto final.

1.7.1 Forjado a Matriz Abierta

Para operaciones como estirado, adelgazamiento, etc., se usan matrices planas.

Tecnología vital en varias industrias. Permite forma en bruto y acabado de metales, especialmente aceros y aleaciones. Requiere matriz con lados abiertos que permite movimiento lateral libre de la pieza al ser golpeada. Permite forjar piezas muy grandes.

1.7.2 Forjado a Matriz Cerrada

Se comprime un billet en una cavidad entre dos matrices conformadas.

La forma de la cavidad se logra en el producto. Usado para piezas de válvulas, bombas, engranajes pequeños, bielas, llaves fijas, etc.

1.7.3 Acuñación (Coining)

Aplicación de esfuerzo compresivo en la superficie de la materia prima para impartir formas únicas desde el punzón de acuñación.

Ejemplos: monedas y medallas metálicas impresas.

1.7.4 Forjado por Impresión (Impression Die Forging)

Las superficies de la matriz tienen forma que se imprime en la pieza durante la compresión, restringiendo mucho el flujo del metal. El material distorsionado fuera de la impresión se llama rebarba (flash), que se elimina luego.

No produce productos con tolerancias ajustadas. Generalmente se requiere mecanizado para precisión en agujeros y roscas. El forjado produce la forma fundamental, con mecanizado posterior en partes que requieren precisión.

1.7.5 Forjado Sin Rebarba (Flash Less Forging)

La pieza está totalmente limitada dentro de la matriz, sin rebarba. La cantidad de pieza inicial debe controlarse precisamente para igualar el volumen de la cavidad.

Apropiado para geometrías simples y simétricas, y materiales como Al, Mg y sus aleaciones.

1.7.6 Forjado por Laminación (Roll Forging)

Método para reducir la sección transversal de una barra cilíndrica o rectangular pasándola por rodillos opuestos con ranuras conformadas según la forma deseada. Combina laminación y forjado, pero se categoriza como forjado.

Los rodillos giran parcialmente según el grado de deformación. Productos forjados por laminación son más fuertes y tienen la estructura de grano requerida comparado con mecanizado del mismo artículo.

1.7.7 Forjado Orbital (Orbital Forging)

La forma se imparte por un punzón superior cónico que gira y empuja sincrónicamente en la pieza. Un punzón inferior soporta la pieza.

Por el eje inclinado del cono, solo una pequeña porción de la superficie se comprime en cada punto. La región bajo compresión circula al girar el punzón superior. Hay reducción significativa en la carga de prensa por contacto de deformación parcial.

1.7.8 Forjado Isotérmico (Isothermal Forging)

Técnica de forjado en caliente donde la pieza se mantiene a alta temperatura durante el conformado. Las matrices también se mantienen a la misma alta temperatura. Al eliminar el enfriamiento de la pieza al contacto con matrices frías, el metal fluye más fácilmente y se reduce el esfuerzo.

Más costoso que forjado tradicional; usado para metales difíciles (Ti, superaleaciones) y formas complejas. Para evitar oxidación rápida de la matriz, se hace en vacío o atmósfera inerte.

1.8 Extrusión

Procedimiento de conformado masivo que fuerza o comprime metal a través de orificio de matriz para producir forma transversal deseada.

Distribuido típicamente en: Extrusión Directa (avance) e Indirecta (retroceso).

1.8.1 Extrusión Directa o de Avance

Billet metálico cargado en contenedor con orificio de matriz conformado. Un ariete fuerza el billet a través del orificio.

Productos: tubos, latas, tazas, engranajes pequeños, ejes, etc. Parte del billet siempre queda al final (rebaba o "butt").

1.8.2 Extrusión Indirecta o de Retroceso

La matriz va montada en el ariete. El metal fluye a través del orificio en el lado del ariete en dirección opuesta al movimiento de este.

No hay fricción en el contacto al no haber movimiento relativo entre billet y contenedor; la fuerza del ariete es menor que en extrusión directa.

1.9 Estirado de Alambre (Wire Drawing)

Proceso para hacer alambres de diámetro pequeño a partir de barras reduciendo su diámetro y alargando su longitud con fuerza de tracción.

Usado para cuerdas de instrumentos musicales. El estirado de tubos crea tubos sin costura.

Una barra se estira a través de un orificio de matriz para formar el espesor deseado, reduciendo su sección transversal.

2. Extrusión por Impacto

Siempre en frío. La extrusión por impacto hacia atrás permite paredes muy finas. Ejemplo: tubos de pasta dental, cajas de baterías.

Se hace a velocidades más rápidas y golpes más cortos. Se usa presión de impacto en lugar de presión ejercida. Puede lograrse por avance, retroceso o combinación.

2.1 Extrusión Hidrostática

El billet está rodeado por fluido en el contenedor, presurizado por el avance del ariete. Por el fluido, no hay fricción dentro del contenedor y fricción mínima en el orificio. Fluidos y métodos especiales para altas temperaturas.

La ductilidad aumenta con presión hidrostática y sin fricción. Útil para metales demasiado frágiles para extrusión tradicional. En metales dúctiles, grandes ratios de reducción son posibles.

#2. Conformado de Chapa (Sheet Metal Forming)

Implica aplicación de fuerzas de tracción y cizallamiento para fabricar chapas, planchas y tiras a forma deseada usando herramientas. Punzón y matriz son las herramientas.

Asociado con operaciones: Doblado, Estirado, Cizallado, Troquelado, Punzonado.

Usa técnicas de deformación plástica: Estirado Profundo, Corte, Doblado, Ribeteado, Rebordeado, Rizado, Estirado/Conformado por Estiramiento, Estampado.

2.1 Estirado Profundo (Deep Drawing)

Proceso de chapa donde se fuerza la chapa en una copa hueca usando fuerzas de tracción y compresión sin cambiar su espesor.

La chapa se coloca sobre la abertura de la matriz y se empuja con un punzón. Un sujetador de chapa (blank holder) mantiene la chapa plana sobre la matriz.

A menudo la alteración requerida es sustancial (ratio de estirado muy alto). En esos casos, se necesita más de un paso de estirado profundo. Pasos adicionales se llaman Re-estirado (Redrawing).

2.2 Doblado de Chapa (Sheet Bending)

Definido como deformación del metal alrededor de un eje recto. El metal en el borde interior del plano neutro se comprime; el del exterior se estira. El espesor no cambia por el doblado.

2.3 Estirado o Conformado por Estiramiento (Stretch Forming)

Proceso donde la chapa se estira y dobla intencionalmente al mismo tiempo para cambiar su forma.

La chapa se sujeta en ambos extremos por mordazas o estrías de estirado y se estira por el punzón, tensionando la chapa por encima de su límite elástico y fabricando la forma deseada.

Al liberar la tensión, el metal se ha deformado plásticamente. El efecto combinado de estirado y doblado causa menor retorno elástico (springback).

Video Educativo: Procesos de Conformado de Metales

Aplicaciones del Proceso de Conformado de Metales

• Producción de tubos sin costura, varillas, anillos de turbinas. También para crear hornos de cemento.
• Cojinetes, chapas, planchas de acero, y numerosos componentes de automóvil.
• Componentes de misiles y aviones, también bisagras, tornillos y clavos.

Ventajas del Proceso de Conformado

• Artículos con mayor resistencia.
• Muy poco desperdicio de material.
• Componentes pequeños con alta resistencia.
• Artículos precisos en dimensiones.
• Ritmo de conformado uniforme.
• Excelente acabado superficial.
• Menor tiempo de mecanizado vs métodos convencionales de remoción.
• Propiedades mecánicas mejoradas.

Desventajas del Proceso de Conformado

• Requerimiento de potencia alto.
• Altas fuerzas mecánicas requeridas.
• Endurecimiento por deformación del material limita la cantidad de conformado.
• Materiales frágiles no pueden fabricarse en este proceso.
• A veces se usa tratamiento térmico en el conformado de metales.