Prensado de Metales

UNIVERSIDAD NACIONAL DE LOJA

INFORME Nombre: Cristian Valverde

PRENSADO DE METALES Prensado, es un tipo de tratamiento de los metales por presión encerrado en una forma y exprimido a través de un orificio con un área menor que la de la sección del material inicial. El metal a prensar adopta adopta la forma de barra de sección simple o compleja, enteriza enteriza o hueca, según la forma y las dimensiones del orificio en la matriz. La pieza bruta está encerrada en un contenedor. Por un lado del contenedor se fija la matriz, a través de cuyo orificio, con ayuda de un punzón, se exprime el metal del tocho. Al prensado se someten los lingotes de aluminio, cobre y sus aleaciones, así como d e zinc, estaño, plomo etc. Debido a que los metales deben ser conformados en la zona de comportamiento plástico es necesario superar el límite de fluencia para que la deformación sea permanente. Por lo cual, el material es sometido a esfuerzos superiores a sus límites elásticos, estos límites se elevan consumiendo así la ductilidad.

1. EFECTO DE LA TEMPERATURA EN EL PROCESO DE CONFORMACIÓN. El trabajo de los metales suele dividirse en procesos de trabajo o conformación en caliente y procesos de trabajo o conformación en frío. El trabajo en caliente caliente se realiza normalmente en condiciones de límite elástico, elástico, y este límite disminuye con la temperatura, temperatura, es entonces entonces más pequeña pequeña la energía energía deformación que en el trabajo en frío, en el el cual no se elimina el

necesaria para la endurecimiento por

deformación y la tensión de límite elástico aumenta aumenta con la deformación. Por esto es que la deformación total que puede darse en frío es menor que en caliente, a menos que en etapas intermedias por sucesivos tratamientos se elimine el endurecimiento por deformación.

1.1 Trabajo en caliente. Este proceso implica temperaturas por encima de la temperatura de recristalización, la cual es aproximadamente 0.5 T m estando T m (la mitad de la temperatura de fusión) en K (grados absolutos). Es importante tomar en cuenta que el metal se suaviza más conforme la temperatura de trabajo se incrementa más allá de 0.5 T m mejorando así la ventaja del trabajo en caliente. Sin embargo, hay que tomar en cuenta algunos puntos que pueden ser causa de problemas a la hora de de efectuar el trabajo en caliente de la pieza y son:




El proceso de deformación genera calor, por lo que si la temperatura de trabajo en caliente está muy cercana a la de fusión, habrá ciertas regiones que pueden llegar a fundirse, lo cual es totalmente indeseable.



El proceso de trabajo a temperaturas elevadas incrementa la oxidación superficial de la pieza, lo que aumenta la posibilidad de incrustaciones en ella.

Ventajas del trabajo en caliente:



Se requiere menos potencia para deformar el metal.



Los metales que usualmente se fracturan en el trabajo en frio, pueden conformarse sin ese problema por trabajo en caliente.



El trabajo en caliente no produce un aumento en la dureza y resistencia del metal.

Desventajas del trabajo en caliente:



La precisión dimensional es menor.



Mayores requerimientos de energía.



Oxidación a la superficie de trabajo.



Acabado superficial más pobre.



Menor duración de herramientas empleado.



Mayor costo del equipo empleado en el manejo del m etal caliente.

1.1.1 Proceso de deformación volumétrica de metales. Es aquel que involucran deformaciones significativas y cambios de forma, siendo la relación entre el área superficial y el volumen de la pieza de trabajo relativamente pequeño. El material (trabajo) del que se parte incluyen tochos cilíndricos y barras rectangulares.


Figura 2. Tocho

Figura 3. Barra rectangular

Los procesos de deformación volumétrica que refinan las formas originales, añaden con frecuencia formas geométricas y algunas veces mejoran las propiedades mecánicas, siempre adicionan un valor comercial al producto. El proceso es el siguiente. Extrusión.



a. Extrusión La extrusión es un proceso de deformación que consiste en moldear un metal, en caliente o frío, por compresión en un recipiente obturado en el cual el metal de trabajo es forzado a fluir a través de la abertura de un dado para darle la forma a su sección transversal.

Figura 4. Prensa de Extrusión

Ventajas



Se pueden extruir una gran variedad de formas, especialmente cuando se hace extrusión en caliente.



La estructura del grano y las propiedades de resistencia se mejoran con la extrusión en frio.



Son posibles tolerancias muy estrechas, especialmente para extrusión en frio.




Por lo general no se genera ningún material de desperdicio.

Los tipos de extrusión dependen básicamente de la geometría y del material a procesar. Existe el proceso de extrusión directa, extrusión indirecta, y para ambos casos la extrusión en caliente para metales (a alta temperatura). Extrusión en caliente.- este proceso incluye como paso inicial el calentamiento del tocho

hasta una temperatura por arriba de la re-cristianización, lo que se reduce la resistencia y aumenta la ductilidad del metal. Las ventajas que presenta este proceso son mayor reducción de tamaño, conformado de piezas con formas más complejas y reducción de la fuerza del pistón.

Figura 5. Piezas Extruidas

Extrusión directa.- También llamada extrusión hacia delante. En esta, un tocho de

metal se carga en un contenedor o recipiente y un pistón comprime el material forzándolo a fluir a través de una o más aberturas en un dado colocado en el extremo opuesto del contenedor. Con este tipo de proceso se puede fabricar secciones huecas (tubos).

Figura 6. Proceso de Extrusión.


Figura 7. Extrusión directa de secciones huecas

Extrusión indirecta.- Recibe también los nombres de extrusión hacia atrás y extrusión

inversa. En este caso el dado se encuentra montado sobre el pistón y al penetrar este en la pieza de trabajo fuerza al metal a fluir a través del hueco formado por el dado, en una dirección opuesta a la del pistón. Como el tocho no se mueve con respecto al contenedor no hay fricción en las paredes, por lo que la fuerza del pis tón es menor que en el proceso de extrusión directa. Este proceso también se puede emplear para producir secciones huecas.

Figura 8 Sección transversal solida y Extrusión indirecta para producir una sección transversal hueca.

Extrusión de impacto. - La extrusión por impacto se parece a la extrusión indirecta, con

frecuencia se incluye en la categoría de la extrusión en frío. El punzón desciende rápidamente sobre una pieza bruta (tejo) que se extruye hacia atrás. La extrusión por impacto se realiza a altas velocidades y carreras más cortas que la extrusión convencional. Extrusión por impacto directo o hacia delante.- El material fluye en el mismo sentido en

el que se desplaza el punzón.


Figura 9. Extrusión hacia adelante

Extrusión de impacto inversa o hacia atrás.- El material fluye entre la matriz y el

punzón en sentido opuesto al de desplazamiento de éste.

Figura 10. Extrusión hacia atrás

Extrusión por impacto combinada o en ambos lados .-El material fluye en el sentido de

desplazamiento del punzón y, al mismo tiempo, en sentido opuesto.

Figura 11. Extrusión en ambos lados


Extrusión en frio.- La extrusión en frío (y extrusión tibio) se emplean para producir partes

discretas, frecuentemente en formas terminadas (o casi terminadas). El término extrusión por impacto se emplea para indicar una extrusión en frío de alta velocidad. Ventajas de este proceso. 

Mayor resistencia por endurecimiento por deformación.



Tolerancias estrechas.



Mejores acabados superficiales.



Ausencia de capas de óxidos.



Altas velocidades de producción y que no se requiere de calentar el tocho.

Los metales que son más susceptibles de ser extruidos en frio son: aluminio, cobre, magnesio, zinc estaño y aleaciones de estos; aceros de bajo carbono y aceros inoxidables.

1.2 Trabajo en frío Se refiere al trabajo a temperatura ambiente o menor. Este trabajo ocurre al aplicar un esfuerzo mayor que la resistencia de cedencia original de metal, produciendo a la vez una deformación. Si provocamos grandes deformaciones el metal puede romperse antes de alcanzar la forma deseada. Por esta razón, puede realizarse en varias etapas,

intercalando tratamientos

térmicos intermedios (Ej. Recocido) que restauran la ductilidad y disminuyen la resistencia. Porcentaje de trabajo en frio.

     í 

=

 −   

∗ 100

Ventajas



Proporciona mejor precisión.



Menores tolerancias.



Mejores acabados superficiales.



Aumento de la resistencia y la dureza debido al endurecimiento por deformación.

Desventajas



Se requiere mayor potencia para llevar a cabo las operaciones de conformado.



La pérdida de ductilidad por el endurecimiento por deformación del metal limita la cantidad de trabajo o conformado que pueda hacerse sobre la pieza.



La pieza debe estar perfectamente libre de suciedad a fin de e vitar incrustaciones en la superficie.


2. PROCESOS DE TRABAJO METÁLICO Estos procesos de trabajo metálicos son operaciones de conformado o preformando de laminas metálicas, tiras y rollos. La relación entre el área superficial y el volumen del material inicial es alta, siendo esta relación un medio útil para distinguir la deformación volumétrica de los procesos con lámina metálica. Con frecuencia se emplea el término prensado a operaciones con lámina metálica por el hecho de que las máquinas empleadas son prensas. Los procesos de trabajo metálico se efectúan siempre en frío y las herramientas empleadas se conocen como punzón y dado. Las operaciones básicas son: 

Embutido.



Rechazado.



Doblado.

a. Embutido de metales

El embutido consiste en colocar la lámina de metal

sobre un dado y luego

presionándolo hacia la cavidad con ayuda de un punzón que tiene la forma en la cual quedará formada la lámina.

Figura 12. Etapas del embutido.

1. El punzón entra en contacto con la pieza de trabajo. 2. Doblado. 3. Enderezado. 4. Fricción y compresión. 5. Forma final de la copa.


Reembutido.- Si el cambio de forma que requiere el diseño de la parte es demasiado

severo, el formado completo de la parte puede requerir más de un paso de embutido. Al segundo paso de embutido y a cualquier otro posterior, si se necesita, se le llama reembutido.

Figura 13. Reembutido de una pieza.

b. Rechazado.

El rechazado de metal es un proceso de formado de metal en el cual se da forma a una parte de simetría axial sobre un mandril u horma mediante una herramienta redondeada o rodillo. La herramienta o el rodillo aplican una presión muy localizada (en casi un punto de contacto) para deformar el material de trabajo por medio de movimientos axiales o radiales sobre la superficie de la parte. Las formas geométricas típicas que se producen por repujado incluyen conos, hemisferios tubos y cilindros. Hay tres tipos de operaciones de rechazado: 1) rechazado convencional, 2) rechazado cortante y 3) rechazado de tubos. Rechazado convencional.- El rechazado convencional es la operación de rechazado

básico. Un disco de lámina se sostiene en el extremo de un mandril rotatorio que tiene la forma interior deseada para la parte fi nal, mientras la herramienta o rodillo deforma el metal contra el mandril. En algunos casos la forma inicial puede ser diferente a la de un disco plano, el proceso requiere una serie de pasos pa ra completar el formado de la parte. La posición de la herramienta la puede controlar un operador usando un punto de apoyo fijo para el apalancamiento necesario, o un método automático como control numérico. Estas alternativas son: rechazado manual y rechazado mecanizado. El rechazado mecanizado tiene la capacidad de aplicar fuerzas más altas a la operación, lo cual representa ciclos más rápidos y mayor capacidad en cuanto al tamaño del trabajo. El rechazado convencional dobla el metal alrededor de un eje circular en movimiento para conformar el metal de acuerdo a la superficie externa de un mandril de simetría axial. El espesor del metal permanece sin cambio (más o menos) respecto al espesor de la forma inicial. También se logra un mejor control del proceso que en el rechazado manual.


Figura 14. Rechazado convencional

1. Disposición a iniciar el proceso. 2. Durante el proceso. 3. Proceso completo. Rechazado cortante.- En el rechazado cortante se forma la parte sobre el mandril por

medio de un proceso de deformación cortante en el cual el diámetro exterior permanece constante y el espesor de la pared se reduce, Esta deformación cortante y el consiguiente adelgazamiento del metal distinguen este proceso de la acción de doblado en el rechazado convencional. Se han usado otros nombres para el rechazado cortante, como torneado de flujo, formado por corte y forjado rotatorio. El proceso se, ha aplicado en la industria aeroespacial para formar partes grandes como los conos para la nariz de los cohetes.

Figura 15. Rechazado cortante

1. Disposición. 2. Proceso terminado. Para una forma cónica simple, el espesor resultante de la pared rechazada puede determinarse fácilmente a través de la relación de la ley de los senos:


t f =t.sen Donde:

t f = espesor final de la pared después de rechazada, (mm); t = espesor inicial de la forma, (mm); = ángulo del mandril (en realidad medio ángulo). El adelgazamiento se cuantifica



algunas veces por la reducción del repujado r.

r=

 −   

Rechazado de tubos.- El rechazado de tubos se usa para reducir el espesor de las

paredes y aumentar la longitud de un tubo mediante la aplicación de un rodillo al material de trabajo sobre un mandril cilíndrico, El rechazado de tubos es similar al rechazado con deformación cortante salvo que la pieza inicial es un tubo en lugar de una forma plana. La operación se puede realizar aplicando el rodillo externamente contra el trabajo (usando un mandril cilíndrico en el interior del tubo) o internamente (usando un dado alrededor del tubo). También es posible formar perfiles en las paredes del cilindro, controlando el recorrido del rodillo al moverse tangencialmente a lo largo de la pared.

Figura 16. Rechazado de tubos.

c.

Doblado.

El doblado de metales es la deformación de láminas alrededor de un determinado ángulo. Los ángulos pueden ser clasificados como abiertos (si son mayores a 90º), cerrados (menores a 90°) o rectos. Durante la operación, las fibras externas

del

material están en tensión, mientras que las interiores están en compresión. El doblado no produce cambios significativos en el espesor de la lámina metálica. Existen diferentes formas de doblado, las más comunes son: doblado entre dos formas y doblado deslizante.


Las operaciones de doblado se realizan usando como herramientas de trabajo diversos tipos de punzones y dados. Los métodos de doblado son: Doblado en V.- la lámina de metal se dobla entre un punzón y un dado en forma de V.

el doblado en V

se usa generalmente para operaciones de baja producción y se

realizan frecuentemente en una prensa de cortina, los correspondientes dados en V son relativamente simples y de bajo costo.

Figura 17. Doblado en V

(1) Antes del doblado. (2) Después del doblado.

Doblado de bordes.- Involucra una carga voladiza sobre la lámina de metal. Se usa una

placa de presión, que aplica una fuerza de sujeción

Fh

para sujetar la lámina contra el

dado, mientras el punzón fuerza la parte volada para doblarla sobre el borde del dado. Debido a la presión del sujetador, los dados deslizantes son más complicados y más costosos que los dados en V y se usan generalmente para trabajos de alta producción.

Figura 18. Doblado de bordes

(1) Antes del doblado. (2) Después del doblado.


ℎ Fuerza de sujeción .

Operaciones misceláneas de doblado:

(a) doblado en canal. (b) doblado en U. (c) doblado al aire.

(d) doblado escalonado. (e) corrugado. (f) formado de tubo. F= fuerza aplicada. Doblado de tubos.- Los tubos se doblan por muchas razones. Un motivo frecuente es

la necesidad de transportar líquidos, otra razón es permitir la expansión o contracción de sistemas de tubería. Las espirales para transferencia de calor y los componentes tubulares para calderas requieren doblado. Las piezas tubulares se usan con f recuencia como componentes estructurales en vehículos y máquinas, muebles, rieles, manijas, etc. Los métodos comunes de doblado son los si guientes:



Doblado por compresión.- La pieza de trabajo se sujeta y dobla alrededor de un dado

estacionario con la ayuda de un bloque o un rodillo seguidor. Hay algo más de fuerza


de compresión que elongación sobre la pieza de trabajo (aun cuando haya elongación sobre la parte exterior del doblez).

Figura 19. Doblado por compresión

El doblado por compresión es un método común, que con frecuencia se realiza a mano, sobre tubos u otros perfiles de mayores espesores de pared y radios de dobl ado más grandes. Los tubos de pared delgada usualmente no se doblan por este método.



Doblado por prensado con cabezal.- Con este método, la pieza de trabajo se coloca

entre dos soportes y se presiona contra un dado redondo (cabeza o punzón). Los dos soportes giran sobre un pivote conforme el cabeza se mueve hacia adelante manteniendo el soporte de la pieza de trabajo.

Figura 20. Doblado por prensado con cabezal

Este método, aunque brinda poco control sobre el flujo del metal, es muy rápido. Se emplea en aplicaciones donde se utilizan tubos gruesos o perfiles laminados o extruidos, siempre que se permita alguna distorsión en la sección de la pieza de trabajo y que sea importante tener una rápida producción.


Bibliografía

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KUCHER A. Tecnología de los metales , Editorial Mir Moscú 1989

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APPOLD HANS, Tecnología de los metales

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Wikipedia, Extrusión Hidrostática, disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/Extrusi%C3%B3n#Extrusi.C3.B3n_hidrost.C3.A1tica

Prensado de Metales

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