Trabajo mecánico en caliente y en frío
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Trabajo mecánico en caliente y en frío

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Trabajo mecánico en caliente y en frío Presentation Transcript

  • 1. PROCESOS DE CONFORMADO Modelado (formado) de metal y trabajo de metales. M.C. Yadira González CarranzaFIME UANL
  • 2. FUNDAMENTOS DEL FORMADO DE METALESEl Conformado de metales incluye variosprocesos de manufactura en los cuales se usala deformación plástica para cambiar la forma delas piezas metálicas.La deformación resulta del uso de unaherramienta que usualmente es un dado paraformar metales, el cual aplica esfuerzos queexceden la resistencia a la fluencia del metal.Por tanto, el metal se deforma para tornar laforma que determina la geometría del dado.
  • 3. FUNDAMENTOS DEL FORMADO DE METALES
  • 4. FUNDAMENTOS DEL FORMADO DE METALESEn general, se aplica el esfuerzo decompresión para deformar plásticamenteel metal. Sin embargo, algunos procesosde formado estiran el metal, mientras queotros lo doblan y otros más lo cortan.
  • 5. FUNDAMENTOS DEL FORMADO DE METALES PRENSAS
  • 6. FUNDAMENTOS DEL FORMADO DE METALES CORTADORAS
  • 7. FUNDAMENTOS DEL FORMADO DE METALES DOBLADORAS
  • 8. FUNDAMENTOS DELCONFORMADO DE METALESPara formar exitosamente un metal éste debeposeer ciertas propiedades. Las propiedadesconvenientes para el formado son:– Baja resistencia a la fluencia– Alta ductilidad.Estas propiedades son afectadas por latemperatura. La ductilidad se incrementa y laresistencia a la fluencia se reduce cuando seaumenta la temperatura de trabajo.
  • 9. FUNDAMENTOS DELCONFORMADO DE METALESEl efecto de la temperatura da lugar a lasiguiente clasificacion:– Trabajo en frío,– Trabajo en tibio trabajo en caliente por debajo de la temperatura de recristalización– Trabajo en caliente arriba de la temperatura de recristalización. Recristalización: formación de granos libres de deformación.
  • 10. FUNDAMENTOS DELCONFORMADO DE METALESLa velocidad de formación y la fricción son factoresadicionales que afectan el desempeño del formado demetales.Cuando el metal se deforma en frío aumenta suresistencia debido al endurecimiento por deformación,pero si el metal se deforma a una temperatura losuficientemente elevada (por arriba del punto derecristalizacion) no ocurre el endurecimiento pordeformación, en su lugar se forman nuevos granos libresde deformación, esta temperatura es aproximadamenteal 50% de la temperatura de fusión del metal,llamándose temperatura de recristalización y se requiereaproximadamente una hora para la formación de nuevosgranos.
  • 11. Trabajo del metal en calienteLos procesos de deformación de metalesaprovechan las propiedades de flujo plástico delmaterial a medida que es deformado paraproducir la forma deseada: el material secomprime o estira hasta adquirir la formadeseada.
  • 12. Trabajo del metal en calienteUn lingote metálico tiene un uso muy reducido hasta quele es dada una forma tal que pueda usarse en unproceso de manufactura.Si el lingote es admitido en frío, se vuelve bastantedifícil, si no imposible, convertir el material por mediosmecánicos en una forma estructural, acero en barra olámina.Sin embargo, si el lingote se trabaja en caliente, puedemartillarse, prensarse, laminarse o extruirse en otrasformas. Debido a la oxidación y otras desventajas deltrabajo en caliente a temperaturas elevadas, la mayoríade los metales ferrosos se trabajan en frío o se terminanen frío después del trabajo en caliente para obtener unbuen acabado superficial, alta exactitud dimensional ymejorar las propiedades mecánicas.
  • 13. Trabajo del metal en caliente Laminando el acero en formas intermedias-lupias, tochos y planchas. Procesando lupias, tochos y planchas en placas, láminas, barras, formas estructurales u hojalata.– Una lupia tiene una sección transversal con un tamaño mínimo de 150 x 150 mm.– Un tocho es más pequeño que una lupia y puede tener cualquier sección desde 40 mm hasta el tamaño de una lupia.– Las planchas pueden laminarse ya sea de un lingote o de una lupia. Tienen un área de sección transversal rectangular con un ancho mínimo de 250 mm y un espesor mínimo de 40 mm. El ancho siempre es 3 o más veces el espesor y puede ser cuando mucho de 1500 mm. Placas, plancha para tubos y fleje se laminan a partir de planchas.
  • 14. Trabajo del metal en caliente
  • 15. Trabajo del metal en calienteLas características principales son:– Por encima de la temperatura mínima de recristalización.– La forma de la pieza se puede alterar significativamente.– Se requiere menor potencia para deformar el metal.– Las propiedades de resistencia son generalmente isotrópicas debido a la ausencia de una estructura orientada de granos creada en el trabajo en frío.– El trabajo en caliente no produce fortalecimiento de la pieza.– Precisión dimensional más baja.– Mayores requerimientos de energía.– Oxidación de la superficie de trabajo.– El utillaje está sometido a elevados desgastes y consiguientes mantenimientos. – El término Utillaje se define como el conjunto de útiles, herramientas, maquinaria, implementos e instrumental de una industria
  • 16. Trabajo del metal en calienteLas tecnologías de fabricación para elproceso de conformado en caliente son:– Laminación– Forja– Extrusión– Estirado– Doblado– Embutido
  • 17. Trabajo del metal en calienteTeniendo en cuenta los usos de losproductos metálicos obtenidos (automóvil,minería, ferrocarril, construcción naval,etc…) y el volumen fabricado, seconsideran como procesos másrelevantes dentro del conformado encaliente la laminación en caliente y laforja.
  • 18. Trabajo del metal en calienteLaminación en caliente:– Conformado en el cual se hace pasar el metal por trenes de rodillos que le dan una forma progresivamente más parecida a la deseada.
  • 19. Trabajo del metal en calienteUn efecto del trabajo en caliente con laoperación de laminado, es el refinamientodel grano causado por recristalización.
  • 20. Trabajo del metal en caliente
  • 21. Trabajo del metal en calienteEl trabajo en caliente tiene las ventajas siguientes: – La porosidad en el metal es considerablemente eliminada. La mayoría de los lingotes fundidos contienen muchas pequeñas sopladuras. Estas son prensadas y a la vez eliminadas por la alta presión de trabajo. – Las impurezas en forma de inclusiones son destrozadas y distribuidas a través del metal. – Los granos gruesos o prismáticos son refinados. Dado que este trabajo está en el rango recristalino, sería mantenido hasta que el límite inferior es alcanzado para que proporcione una estructura de grano fino. – Las propiedades físicas generalmente se mejoran, principalmente debido al refinamiento del grano. La ductilidad y la resistencia al impacto se perfeccionan, su resistencia se incrementa y se desarrolla una gran homogeneidad en el metal. La mayor resistencia del acero laminado existe en la dirección del flujo del metal. – La cantidad de energía necesaria para cambiar la forma del acero en estado plástico es mucho menor que la requerida cuando el acero está frío.
  • 22. Trabajo del metal en caliente
  • 23. Trabajo del metal en calienteDesventajas:– Debido a la alta temperatura del metal existe una rápida oxidación o escamado de la superficie con acompañamiento de un pobre acabado superficial. Como resultado del escamado no pueden mantenerse tolerancias cerradas. El equipo para trabajo en caliente y los costos de mantenimiento son altos, pero el proceso es económico comparado con el trabajo de metales a bajas temperaturas.
  • 24. Trabajo del metal en caliente
  • 25. Trabajo del metal en calienteCon el paso de los años ha habido una clara tendencia aoptimizar el proceso. Un tren de laminación puede definirsecomo máquina de fabricación para trabajar materiales porpresión entre cilindros rotativos. Pero esta definición no estácompleta, ya que en la mayoría de los casos la laminación deun metal necesita varias etapas tecnológicas, siendo ademásnecesarias ciertas operaciones auxiliares, como pueden ser:– El transporte de los materiales– Su almacenaje– Manipulación– Corte en las longitudes requeridas– Recalentadores– Enfriadores– Identificación, etc...
  • 26. Trabajo del metal en calienteLa demanda de fabricación en serie del materiallaminado lleva consigo un alto grado demecanizado y por tanto un alto grado deautomatización. Las máquinas que trabajan elmetal laminado se colocan en una cadena defabricación y se conectan con los mediosnecesarios que permitan transportar las piezasde una máquina a la siguiente. Estos sistemasde máquinas son típicos de los talleres másmodernos y suelen englobarse también en eltren de laminación.
  • 27. Trabajo del metal en calienteUn tren de laminación moderno de granproducción es, generalmente, un conjuntocomplejo de máquinas y mecanismos querealizan una serie de operacionesconsecutivas e interrelacionadas.
  • 28. Trabajo del metal en calienteEl desarrollo de la tecnología, en general, y de la automatización en particular,subraya el principio de enlazar todas las etapas de la fabricación, desde la materiaprima hasta el embalaje de los productos terminados, en una cadena automatizada.
  • 29. FORJADOA pesar de que la forja es el método más antiguo detrabajar el metal (año 8000 a.C.), aún se sigue utilizandoen la actualidad ya que asegura las mejorescaracterísticas mecánicas de los materiales y la más altacalidad en cualquier tipo de producto.Aunque puede no ser el método más económico parahacer productos en ciertas geometrías, la historia hademostrado que la forja tiene el más alto nivel deprecisión y combinación de propiedades mecánicas.Las instalaciones y los equipos actuales son cada vezmás modernos y automáticos, siempre buscando unamejora en la productividad del proceso.
  • 30. FORJADOForja: Conformado en caliente mediante laaplicación de grandes presiones:– intermitentemente (golpes) o– en forma continua (prensado).
  • 31. FORJADO1.Forja de herrero o con martillo2.Forja con martinete3.Forja horizontal4.Forja con prensa5.Forja de laminado6.Estampado
  • 32. FORJADO1.Forja de herrero o con martillo– No se obtienen tolerancias cerradas– No formas complicadas
  • 33. FORJADO1.Forja de herrero o con martillo
  • 34. FORJADO2.Forja con martinete– Este es el equivalente moderno del forjado de herrero en donde la fuerza limitada del herrero ha sido reemplazada por un martillo mecánico o de vapor. El proceso puede llevarse a cabo en forjado abierto donde el martillo es reemplazado por un mazo y el metal es manipulado manualmente sobre un yunque.
  • 35. FORJADO2.Forja con martinete Figura 9. Martillo para forja por caída libre.
  • 36. FORJADO2.Forja con martinete
  • 37. FORJADO3.Forja horizontal– No hay choque o vibración en la máquina– Igualmente en ambos lados– Menos tiempo de contacto entre el material y el dado– se requiere menos energía que con otros procesos de forja
  • 38. FORJADO3.Forja horizontal
  • 39. FORJADO3.Forja horizontal El penetrado progresivo Los dados no se limitan al recalcado, pueden usarse también para penetrado, punzonado, recorte o extrusión. Puede alimentar barra de acero calentada por inducción a la cavidad del dado
  • 40. FORJADO4.Forja con prensa– Emplean una acción lenta de compresión deformando el metal plástico, contrariamente al rápido impacto del golpe del martillo.– Pueden ser operadas ya sea mecánica o hidráulicamente– pueden ejercer una fuerza de 4 a 90 MN
  • 41. FORJADO4.Forja con prensa– Forjas de más de 100 ton de peso pueden ser movidas fácilmente en estas prensas forjadoras y los productos de más alta calidad son manufacturados por esta técnica.
  • 42. FORJADO5.Forja de laminado– La forja por laminado se usa en una amplia variedad de piezas, incluyendo ejes, barras para propulsores de avión, palancas, hojas de cuchillos, cinceles, estrechado de tubos y extremos de muelles. Las piezas hechas de este modo tienen muy buen terminado de superficie y las tolerancias son iguales a otros procesos de forja. El metal es trabajado completamente en caliente y tiene buenas propiedades físicas.
  • 43. FORJADO5.Forja de laminado
  • 44. FORJADO5.Forja de laminado
  • 45. FORJADO5.Forja de laminado– Laminado de anillos
  • 46. FORJADO5.Forja de laminado– Laminado de anillos
  • 47. FORJADO5.Forja de laminado
  • 48. FORJADO5.Forja de laminado
  • 49. FORJADO5.Forja de laminado– Laminado de cuerdas
  • 50. FORJADO6.Estampado– El estampado difiere de la forja con martillo en que se usa más bien una impresión cerrada que dados de cara abierta– Para asegurar el flujo propio del metal durante los golpes intermitentes, las operaciones se dividen en un número de pasos. Cada paso cambia la forma gradualmente, controlando el flujo del metal hasta que la forma final se obtiene.– El número de pasos requeridos varia de acuerdo al tamaño y forma de la pieza, las cualidades de forja del metal y las tolerancias requeridas
  • 51. FORJADO6.Estampado–
  • 52. FORJADO 6.Estampado –Necesidad de un proceso posterior dedesbarbado
  • 53. FORJADO6.Estampado–
  • 54. FORJADO6.Estampado– Las temperaturas aproximadas de forjado son:– acero 1100 a 1250 °C;– cobre y sus aleaciones 750 a 925°C;– magnesio 370 a 450°C.
  • 55. FORJADO6.Estampado– Con dados cerrados
  • 56. FORJADO6.Estampado– El forjado sin rebaba se clasifica frecuentemente como un proceso de forjado de precisión
  • 57. FORJADODados de forjado Es importante el diseñode los dados para el éxito de la operaciónde forjado. Las partes que se forjan debendiseñarse con el conocimiento de losprincipios y limitaciones de este proceso.
  • 58. FORJADOFactores Críticos – El principal factor que se debe controlar en el proceso de conformado en caliente es la temperatura a la cual se está calentando el material. Si el calentamiento es insuficiente el metal será más difícil de trabajar debido a que posee una menor ductilidad y maleabilidad propiedades que se le confieren al calentarlos a una temperatura adecuada.– El proceso de laminado en caliente debe seguir una secuencia: primero calentamiento, pasar la chapa por el tren de desbaste, luego por el tren de laminación y por ultimo el tren de acabado. Si no se respeta esta secuencia se presentan diversos problemas tales como: desgaste excesivo de los rodillos de laminación, excesiva potencia para realizar el trabajo, etc.
  • 59. FORJADOFactores Críticos– Como variables críticas de proceso tenemos: velocidad de alimentación, tiempo de tratamiento, número de pasadas en laminador y temperatura de salida.– La calidad de la colada es un factor limitante para los posteriores procesos de conformado– El mantenimiento de los equipos también es determinante, ya que del buen funcionamiento depende una buena productividad. Aquí incluimos el recambio y mantenimiento de los utillajes.– La situación geográfica de la planta industrial. Hay que favorecer la cercanía a las acerías y/o plantas de laminación y la cercanía a los puertos. Todo ello abaratará excesivamente los costes logísticos.
  • 60. Trabajo del metal en calienteLaminado– Materiales:– • metales puros: Al, Cu, Fe, Ti, Zn– • aleaciones: Acero, de Al, (Al-Cu, Al-Mg, Al-Zn, Al- Mn) de Mg ( Mg-Al, Mg-Zn, Mg-Mn), de Cu (Cu-Zn, Cu-Zn-Sn, Cu-Zn-Pb) o bronces (Cu-Al, Cu-Ni, Cu-Si)Forjado– Materiales:– • metales puros: Al, Cu, Fe, Ti, Zn– • aleaciones: Acero, de Al, (Al-Cu, Al-Mg, Al-Zn, Al- Mn) de Mg ( Mg-Al, Mg-Zn, Mg-Mn), de Cu (Cu-Zn, Cu-Zn-Sn, Cu-Zn-Pb) o bronces (Cu-Al,Cu-Ni, Cu-Si)
  • 61. Trabajo del metal en calienteEjemplos:
  • 62. Trabajo del metal en calienteEjemplos:– Molinos laminadores
  • 63. Trabajo del metal en calienteEjemplos:
  • 64. FORJADO
  • 65. EXTRUSIONLos metales que pueden trabajarse encaliente pueden extruirse con formas desección transversal uniforme con ayudade presión.
  • 66. EXTRUSIONEl principio de extrusión, similar a laacción del chorro de la pasta de dientesde un tubo, ha sido muy usado paraprocesos en serie desde la producción deladrillos, tubo de desagüe, tubo dedrenaje, hasta la manufactura demacarrones.
  • 67. EXTRUSIONAlgunos metales como el plomo, estaño yaluminio pueden extruirse en fríoConsiste en forzar al metal (confinado en unacámara de presión) a salir a través de dadosespecialmente formados.Varillas, tubos, guarniciones moldeadas, formasestructurales, cartuchos de bronce, y cablesforrados con plomo son productoscaracterísticos de metales extruidos.
  • 68. EXTRUSIONLas velocidades de operación dependensobre todo de la temperatura y material,varían de unos cuantos metros sobreminuto hasta 275 m/min.
  • 69. EXTRUSIONTemperaturas de varios metales en la extrusión en caliente
  • 70. EXTRUSIONAluminium hot extrusion die
  • 71. EXTRUSIONVentajas de la extrusión:– facilidad de producir una variedad de formas de alta resistencia, buena exactitud y terminado de superficie a altas velocidades de producción, y relativamente con un bajo costo de los dados.– Longitudes casi ilimitadas
  • 72. EXTRUSIONExisten muchas variantes de esteproceso.– Extrusión Directa– Extrusión Indirecta– Extrusión por Impacto
  • 73. EXTRUSIONExtrusión Directa – El metal es extruido a través del dado abriéndolo hasta que sólo queda una pequeña cantidad
  • 74. EXTRUSIONExtrusión Indirecta – parte extruida es forzada a través del vástago apisonador
  • 75. EXTRUSIONExtrusión Indirecta – Se requiere menos fuerza por este método, debido a que no existe fuerza de rozamiento entre el tocho y la pared continente. – El debilitamiento del apisonador cuando es hueco y la imposibilidad de proveer soporte adecuado para la parte extruida constituyen las restricciones de este proceso.
  • 76. EXTRUSIONExtrusión por Impacto:– Un punzón es dirigido al pedazo de metal con una fuerza tal que éste es levantado a su alrededor.– La mayoría de las operaciones de extrusión por impacto, tales como la manufactura de tubos plegables, son trabajadas en frío.
  • 77. EXTRUSION
  • 78. MANUFACTURA DE TUBERIAPueden hacerse por soldadura eléctrica oa tope, plancha para formado de tubos,perforado y extrusion. (para tuberia sincostura)Tuberia sin costura alta presión ytemperatura como también paratransportar gas y líquidos químicos.
  • 79. MANUFACTURA DE TUBERIAPueden hacerse por soldadura eléctrica oa tope, plancha para formado de tubos,perforado y extrusion. (para tuberia sincostura)
  • 80. MANUFACTURA DE TUBERIATuberia sin costura alta presión y temperaturacomo también para transportar gas y líquidosquímicos. Hasta de 400 mm de diámetro.Tubo soldado a tope es el más común y se usacon propósitos estructurales, postes y paratransporte de gas, agua y desperdicios.Tubo con soldadura eléctrica se usaprincipalmente para líneas de tubería quetransportan productos del petróleo o agua.
  • 81. MANUFACTURA DE TUBERIASoldadura a Tope tamaños hasta de 75 mm de diámetro.
  • 82. MANUFACTURA DE TUBERIASoldaduraEléctrica a Tope formado en frío dos rodillos electrodo que abastecen corriente al generar el calortamaños hastade hasta 400 mmmm de diámetro3 a 15 mmespesor.
  • 83. MANUFACTURA DE TUBERIA Perforado tamaños hastaPara producir tubo sin costura de hasta 150 mmCalor de forja en un horno antes de mm de diámetroser perforado
  • 84. MANUFACTURA DE TUBERIAPerforado tubos grandes hasta de 350 mm de diámetro se les da una segunda operación
  • 85. MANUFACTURA DE TUBERIA
  • 86. MANUFACTURA DE TUBERIAExtrusión de Tubooperación completa debe ser rápida y velocidades hasta de180 m/min
  • 87. MANUFACTURA DE TUBERIA
  • 88. EMBUTIDOPara productos sin costura que no puedenhacerse con equipo convencional derolado.
  • 89. EMBUTIDOSe calienta una lupia atemperatura de forja ycon un punzón depenetración operadocon una prensavertical, la lupia seforma por forja dentrode un extremo huecocerrado.
  • 90. EMBUTIDOPara cilindros largos otubos de pareddelgada, puedenrequerirsecalentamientos yembutidos repetidos
  • 91. EMBUTIDO
  • 92. EMBUTIDO
  • 93. RECHAZADO EN CALIENTESe usa comercialmente para conformaro formar placas circulares gruesas dealguna forma sobre un cuerpo giratorio yestrangular o cerrar los extremos detubos
  • 94. RECHAZADO EN CALIENTEEn ambos casos una especie de torno se usapara hacer girar la pieza rápidamente. Elformado se hace con una herramienta depresión roma o rodillo que entra en contactocon la superficie de la pieza en rotación yprovoca el flujo del metal y que éste seconforme a un mandril de la forma deseada.Una vez que la operación se desarrolla, segenera un considerable calor por rozamientoel cual ayuda a mantener al metal en estadoplástico.
  • 95. FORJADO TIBIOConocido como Termoforjado utiliza unatemperatura intermedia que normalmentese usa para trabajo en frío y en caliente.No hay cambios metalúrgicos en el metalni imperfecciones de superficiefrecuentemente asociadas con el metaltrabajado a temperaturas elevadas.
  • 96. FORJADO TIBIOLas líneas de flujosiguen el contorno de lapieza, se reducen lasconcentraciones deesfuerzos. Latemperatura del metal ylas presiones yvelocidades de forjadodeben controlarsecuidadosamente,puesto que el metalestá abajo de latemperatura derecristalización.