Resumen Tema 9: DEFORMACIÓN PLÁSTICA I. FORJA Y LAMINACIÓN

FORJA

Es un proceso de conformado por deformación volumétrica de metales, en la que este se sitúa entre dos matrices y a compresión toman la forma deseada.

Clasificación

• Según la temperatura de trabajo: la mayoría se realiza en caliente, se pueden conseguir grandes deformaciones, pero sin aumentar la resistencia del material forjado.

• Según la fuerza aplicada: de forma gradual o por impacto.  Por impacto, se utiliza el martinete o martillo que actúa con golpes rápidos. Para aplicación de fuerza gradual se utilizaría  la prensa de forja que somete al material a una fuerza de compresión de poca velocidad.

En el vídeo siguiente se muestra un prensa de forja que aplicaría fuerza de forma gradual:

• Según el tipo de piezas obtenidas: piezas acabadas y piezas de desbaste, las primeras serían a las que por forja se les da su forma definitiva y las segundas a las que se les da el acabado por otro procedimiento.

• Según la geometría del proceso: 

 -Forja libre: al golpear las superficies activas de la forja contra el material a forjar, este se deforma libremente, se reduce la altura y aumenta el diámetro del mismo. ==>Para diversidad de tamaños, series pequeñas, de geometría sencilla, normalmente en caliente, pero si se desea mejorar las características mecánicas se hará en frío, suele producir acabados bastos, corregidos por posteriores operaciones de acabado.

El siguiente vídeo muestra un martinete aplicando fuerza por impacto y como el metal se deforma libremente sería también del tipo de forja libre:

-Forja con estampa cerrada (forja por recalcado): el proceso sería el mismo que el del anterior, pero ahora las estampas circundan totalmente la pieza o casi totalmente, con lo que no se produce rebaba. Más económico, pero mayor control del volumen de material aportado a la cavidad, un exceso podría provocar una excesiva presión y un volumen deficitario un llenado incompleto.
La deformación a aplicar será como máximo de tres veces el diámetro de la barra inicial, si se sobrepasa este límite se dobla o arruga y no llena adecuadamente la cavidad.
El acuñado: se imprimen finos detalles de las matrices en las partes superior y posterior de la pieza de trabajo. ==> Poco flujo de material, presiones muy altas. La aplicación más importante es la acuñación de monedas.

-Forja con estampa semicerrada: el flujo de material se restringe, pero una parte de éste fluye más allá de las estampas por lo que en este tipo de forja si se produce rebaba. Para evitar esta rebaba lo que se hace es controlar la cantidad de material que entra en la cavidad. 
Se emplearán tantas matrices como etapas se necesiten para llegar a la forma final, su diseño tiene por objeto determinar el número mínimo de pasos necesarios. En la matriz acabadora se diseñan los planos principales de fluencia ya que a partir de estos ha de considerarse el inicio del desplazamiento de material. 
En la estampación en caliente se suelen calentar las matrices para evitar enfriamiento de las piezas y reducir el impacto térmico sobre estas. Surge la forja isotérmica cuando se calienta la matriz a la temperatura de trabajo de la pieza, esto permite trabajar con presiones bajas y poco mecanizado posterior.

En el siguiente vídeo se aprecia perfectamente la rebaba resultante y su posterior mecanizado.

                                                       http://www.youtube.com/watch?v=MntC7dgGxRo

Máquinas-herrramienta para forja

Dos tipos:

Martillos o martinetes de forja

Se utilizan para la forja por impacto. Los golpes deben ser pesados para penetrar y deformar profundamente el metal, de forma uniforme y por completo, con golpes ligeros la deformación conseguida sería superficial y no homogénea.
La capacidad para deformar de los martillos depende de la energía que es capaz de suministrar al impacto.
Clasificación de estos:

• De caída libre: se usan para forjado con troquel impresor. La parte superior del troquel se fija al pistón y la parte inferior al yunque. El pistón eleva el troquel superior dejándolo caer (caída libre) sobre la pieza que está en el troquel inferior.

• De doble efecto: igual al anterior, pero cuando el troquel va en caída libre es impulsado consiguiendo mayores energías de impacto y velocidades.

• De contragolpe: en este caso se añadiría la fuerza del troquel inferior, ya que mientras la masa cae, la mesa sube. La masa hará mayor recorrido que la mesa. Se consiguen mayores energías y evitan las enormes masas de las chabotas (yunques).

Prensas de forjado

Aplican presión gradual, en lugar de impactos. 

La fuerza se aplica a poca velocidad.

Las prensas trabajan con poco ruido y sin vibraciones.

Clasificación:

• Prensas de husillo: se basan en el tornillo-tuerca. La tuerca fija y el tornillo móvil es lo que denominamos husillo. La tuerca permanece fija y al girar el tornillo este se desplaza subiendo o bajando. En su parte superior el husillo incorpora un volante.

• Prensas mecánicas: funcionan por medio de excéntricas, manivelas y articulaciones, convirtiendo el movimiento giratorio de un motor en movimiento alternativo del pistón. Alcanzas fuerzas muy alta.

• Prensas hidráulicas: utilizan el dispositivo cilindro-pistón. Dan más capacidad de deformación.

Las prensas hasta aquí descritas son prensas verticales. Pueden construirse máquinas basadas en alguno de estos principios, pero horizontales.

• Máquinas horizontales de forjar: la mesa está partida y una de sus partes posee movimiento con respecto a la otra, utiliza tres portaestampas en lugar de dos, por lo que los troqueles se fabrican en tres partes.

Defectos en piezas forjadas

Abarrilamiento: debido al rozamiento entre las superficies de contacto que se oponen al flujo exterior de los materiales. Se da también al forjar piezas calientes entre matrices frías. Se minimiza con matrices calientes o con lubricación. 

Se observa el abarrilamiento en la siguiente imagen:

• Grietas y plegado: debido a zonas excesivamente trabajadas, materiales frágiles en caliente, temperatura demasiado baja, zonas de difícil llenado.

• Exceso de tensiones residuales: se alivian con un conveniente tratamiento térmico.

• Falta de penetración: la deformación se hace en las capas superficiales.

• Pandeo: se da cuando la relación longitud/diámetro es mayor a 3. Se soluciona mediante guías, método poco utilizado.

Se observa el pandeo en la siguiente imagen:

• Estructura de fibra: se refiere a que la ductilidad es inferior en dirección transversal. Se evita con reducciones inferiores al 50-70% de la sección transversal.

LAMINACIÓN

                           
Deformación de un material comprimiéndolo entre dos rodillos que giran en sentido contrario, reducen la sección transversal inicial y aumentan la longitud.
Se observa en la siguiente imagen que los rodillos giran uno en sentido contrario al otro, la reducción de la sección transversal y el alargamiento longitudinal:

Condiciones de arrastre

Interesa que los rodillos o cilindros posean un alto coeficiente de rozamiento ya que deben arrastrar el material para su conformado.
En desbastes ===> Cilindros de grandes diámetros, bajas velocidades ===> Grandes reducciones.
En acabados ===> Cilindros de preqeños diámetros, mayores velocidades ===> Menores reducciones.


Procesos de laminación

Laminado en frío: mejora las superficies y propiedades mecánicas, se emplea para acabado en láminas ya preconformadas en caliente y para chapas de poco espesor. Producto de partida el lingote, este es desbastado en una primera laminación denominada desbaste, se realiza otra laminación para obtener el producto semielaborado, y con una laminación final obtendríamos el producto acabado.

Esquema del proceso de laminado:

Elementos laminables: metales y aleaciones forjables, metales y aleaciones con buena ductilidad, aceros, aluminio, cobre, zinc, magnesio, plomo, estaño y aleaciones.


Equipos de laminación

Todas las laminaciones se realizan en una unidad elemental o en un tren de laminación (acoplamiento de varias unidades elementales).
El equipo más conveniente a emplear depende del tamaño, forma, reducción, etc., del producto final.

La unidad elemental está constituida por dos rodillos situados en un bastidor, pudiendo girar, presionar y modificar la distancia entre sus ejes, este conjunto se denomina caja. Lo más normal es que un cilindro se mueva por accionamiento y el otro por fricción.

Los cilindros de laminación tienen tres partes principales:

• Cuerpo o tabla: liso para laminación de chapa, acanalado para perfiles.

• Cuellos: a ambos lados de la tabla.

• Muñones o trefles: se asientan en los cojinetes.

En la siguiente imagen se aprecian perfectamente estas partes:

Para laminar en frío ===> Cilindros de acero forjados, con un tratamiento térmico que les confiere gran dureza superficial.

Para laminar en caliente ===> Cilindros de fundición o también de acero forjado templado.

Durante la laminación debe usarse buena lubricación y refrigeración y mantener las superficies limpias.

Caja de laminación

Las mas simples son las de dos cilíndros, pero se construyen compuestas por tres o más. Denominaciones:

• Dúo: Caja de dos cilindros de ejes horizontales. Pueden ser reversibles o no reversibles, según se pueda invertir el sentido de giro o no. Los reversibles tienen el inconveniente de que requieren un mecanismo complicado para lograr ese cambio en el sentido de giro, además de un consumo considerable de energía. En la siguiente imagen se observa una caja dúo:

• Trío: se puede laminar en los dos sentidos sin parar e invertir el giro de los cilindros como en el caso anterior. Primero pasa el tocho en un sentido entre el cilindro inferior y el intermedio, después con una mesa elevadora el tocho pasa entre el cilindro superior y el intermedio en el otro sentido, como se observa en la siguiente figura:

• Doble dúo: dos cajas con dos cilindros cada una. Semejante a la caja trío pero no se recarga el cilindro central. Se muestra en la siguiente imagen: 

Laminadores para pequeños espesores: reducir en gran medida el espesor es difícil de conseguir ya que a mayores reducciones mayores tensiones residuales que provocan acritud, es decir, endurecimiento, lo que provocará que no se pueda reducir más el espesor. Esto se soluciona aumentando la lubricación, recociendo el material o reduciendo el diámetro de los rodillos.
Los cilindros de menor diámetro tienen una superficie de contacto menor , requieren menores cargas y menos energía y además tienen la ventaja de proporcionar un acabado más perfecto, el inconveniente es que flectan fácilmente, la solución es colocar otros cilindros de mayor diámetro que hagan contacto con estos.
Distinguiríamos entre cilindros de trabajo y cilindros de apoyo, los primeros son los que entran en contacto directo con el material a deformar y los segundos los que hacen contacto con los primeros. Surgen las siguientes cajas de laminación:

• Cuartos: dos cajas con dos parejas de cilindros cada una, con sus ejes en un plano vertical, como se aprecia en la siguiente imagen:

• Cajas múltiples: de 6, 8, 12, 20 o más cilindros (Sendzimir). Se usan exclusivamente para laminación de chapa en frío. Imagen de ejemplo de cajas múltiples: 

• Cajas universales: a parte del aumento de longitud producido se produce un estrechamiento controlado con cilindros verticales. Los dos primero cilindros laminan y los dos segundos limitan la anchura. La ventaja es que se evita tener que cortar el lateral de la chapa para obtener su forma final y da una forma rectangular a esta, como se observa en la imagen:

Trenes de laminación

Sucesión de cajas laminadoras longitudinales sincronizadas entre sí, realizan sucesivas pasadas hasta llegar al perfil final deseado. Movimiento continuo y no intermitente.
Clasificación según su disposición en planta:

• Abiertos o en línea: las cajas están en una misma línea o en líneas paralelas. Entre estas hay dispositivos volvedores y formadores de lazos de manera que la misma barra se puede laminar en varias cajas a la vez.

Se aprecia un tren abierto o en línea en la imagen:

• Continuos: cajas dispuestas una a continuación de la otra, pasando el material que se lamina de una caja a otra sin interrupción.

Imagen de un tren continuo:

• Semicontinuos: se deja espacio entre caja y caja para poder retirar el material después de cada pasada.

En la imagen se aprecia un tren semicontinuo y en el mismo hay un tren continuo:

• En zig-zag o cross-country: trenes mixtos de continuos y en línea. Es utilizado cuando no hay suficiente espacio para los tipos de trenes anteriores.

Imagen de un tren en zig-zag:

Clasificación según el material de partida y del producto final obtenido:

• Tren Steckel: formado por un tren dúo con dos hornos continuos situados a cada lado del tren, entre éste y las bobinadoras. La banda pasa en un sentido y en otro, calentada por el horno correspondiente, en el número de pasadas correspondientes hasta reducir al espesor deseado.

Imagen del tren Steckel:

• Trenes planetarios: un gran cilindro de apoyo y numerosos cilindros de reducido díametro en su periferia. Se completan con un tren dúo empujador y una caja planeadora compuesta de dos cilindros, además esta efectúa una pequeña reducción de la barra. Este tipo de trenes hacen reducciones de hasta el 96%.

Imagen del tren planetario:

¡TEMA FINALIZADO!

 BLOG EN CONSTRUCCIÓN
(si encontráis errores o necesitáis alguna aclaración no dudéis en comentar la entrada, serán respondidas cuanto antes).

A lo largo de la mañana hará el tema de Estirado y Extrusión.