El conformado por deformación plástica es una modificación permanente de la forma de un sólido aplicando tensiones superiores al límite elástico del material, a temperaturas inferiores a la de fusión.

Ventajas:

  • Rapidez de transformación
  • Grandes deformaciones
  • Ahorro material
  • Mejora de las propiedades físicas del material

Limitaciones:

  • De forma
  • Acabado
  • Potencias elevadas

Tipos de procesos:

Conceptos básicos de deformación plástica

Acritud

La acritud es la capacidad del material a endurecerse en frío por deformación plástica.

Una forma de medirlo es con el índice de acritud σYR

  • Valores pequeños 🡪 gran acritud
  • Valores próximos a 1 🡪 muy poca acritud (material perfectamente plástico) o que rompe sin ninguna deformación (material totalmente frágil)

Si el material es poco sensible a la velocidad de deformación, la curva real de tensiones-deformaciones se ajusta bastante al modelo de Ludwick, en la zona de deformación plástica uniforme (zona de “estabilidad plástica” de la curva):

𝛔𝐫  = 𝒌 ∙ 𝜺𝒏

  • n = coeficiente de acritud o de endurecimiento por deformación en frío
  • k = coeficiente de resistencia

Efecto de la temperatura en el conformado plástico

La curva σ vs. ε es válida para operaciones de trabajo en frío (k y n dependen de T). Por lo general, al subir la temperatura, disminuye el endurecimiento por deformación.

Recristalización 🡪 proceso por el que un material, previamente deformado plásticamente en frío, regenera su microestructura formando nuevos granos, por acción del calor. Su característica es la temperatura de recristalización.

Los materiales deformados plásticamente pueden recuperar (disipar la energía acumulada durante la deformación en forma de dislocaciones) su microestructura, propiedades físicas y mecánicas, mediante un tratamiento térmico que se llama recocido de recristalización.

Etapas del recocido de recristalización

  1. Restauración (a temperaturas bajas o en los instantes iniciales). Reordenamiento de las dislocaciones (poligonalización). Las propiedades mecánicas no se alteran. Hay eliminación de tensiones internas y recuperación de las propiedades físicas (conductividad eléctrica).
  2. Recristalización (A mayor temperatura o tiempos mayores y un mínimo de deformación en frío). Aparecen nuevos granos libres de dislocaciones que modifican las propiedades mecánicas.
  1. Crecimiento de grano (A temperatura aún mayor o tiempos superiores). Se produce el crecimiento o coalescencia de los granos recristalizados.

Se distinguen tres tipos de trabajo por deformación plástica:

  • En frío (cold): $T < T_{recristalización}$ y $T < 0.3 T_{fusión}$
  • En tibio (warm): $T < T_{recristalización}$ y $0.3 T_{fusión}  < T < 0.5 T_{fusión}$
  • En caliente (hot): $T > T_{recristalización}$ y $T > 0.6 T_{fusión}$

Procesos primarios y secundarios

Procesos Primarios (industria pesada). Implica procesos que se realizan en caliente, dando lugar a productos semiacabados. Ejemplo: Laminación en caliente en una acería. Necesitan ser reelaborados.

Procesos Secundarios (industria de transformación). Implican procesos que se realizan en frío, tibio o en caliente, dando lugar a productos acabados. Ejemplo: Fabricación de tubos, perfiles, chapas…

Deformación en frío y en caliente

VentajasInconvenientes
Frío- Buenos acabados superficiales
- Buenas tolerancias dimensionales (~ 0,1 mm)
- Deformaciones reducidas
- Introducción de textura y anisotropía del material
- Necesarios equipos potentes de deformación
Caliente- Grandes secciones y velocidades de deformación
- Menos energía para deformar
- Elimina los defectos producidos durante la colada (segregaciones y poros)
- Fibrado mecánico
- Los equipos han de soportar altas temperaturas
- Oxidación del material con limpieza posterior (formación de cascarilla)
- Peores tolerancias dimensionales (↑ contracciones)

Forja

Proceso de deformación en el cual se comprime el material de trabajo entre dos matrices, usando impacto o presión gradual para conformar la pieza.

Es la operación más antigua de trabajado de metales y se emplea generalmente para dar la forma inicial de grandes componentes que luego son mecanizados para lograr su forma y dimensiones finales.

Se lleva a cabo de diversas maneras, que podemos clasificar según la temperatura de trabajo:

  • Mayoría operaciones forja 🡪 en tibio o caliente. Así, se disminuye la resistencia que opone el material y aumenta la ductilidad, siendo más fácil abordar grandes deformaciones plásticas.
  • En frío. Se incrementa la resistencia por endurecimiento por deformación plástica en frío (aumento de acritud).

Características del forjado

Las piezas forjadas se caracterizan por ser simples y macizas, a diferencia de las piezas fundidas. No suelen tener agujeros pasantes (se hacen en operaciones posteriores de mecanizado) excepto si son de gran diámetro.

Las piezas conformadas por forja pueden ser:

  • Piezas acabadas. La forja da la forma definitiva.
  • Piezas de desbaste. Da la forma aproximada, con un exceso de material de unos 3 mm y posteriormente se mecanizan.

Tipos de forja

Forja libre

Se usa para fabricar pequeñas cantidades de piezas, o cuando el tamaño de la pieza a forjar es muy grande. Se usan principalmente un yunque y un martillo y es bastante difícil encontrar dos piezas fabricadas por forja libre que sean iguales, ya que las piezas quedan marcadas por los golpes de martillo.

Forja con estampas

Se coloca el material entre dos matrices que tienen el hueco con la forma de la pieza que queremos conseguir.

Es muy difícil determinar el volumen exacto de material necesario. Por ello, las estampas deben llevar unos canales periféricos para alojar el material sobrante en forma de “rebabas”, que se eliminan después en una operación final de recorte o rebarbado.

La operación se realiza por fases (menos en piezas muy simples), utilizando estampas progresivas.

Laminación

El material se hace pasar entre dos rodillos paralelos que giran en sentido contrario, modificando las dimensiones de su sección recta.

Por este proceso se elaboran productos planos (chapas, pletinas…) y distintos tipos de perfiles de forma estandarizadas (estructurales, de sección redonda o poligonal…).

Laminado en frío

En el laminado en frío, el acabado superficial es mejor cuanto menor sea la superficie en contacto con los rodillos → utilización de rodillos de pequeño diámetro.

Debido al incremento de acritud y fuerza aplicada, es necesario utilizar sistemas que impidan la deformación de los rodillos de contacto.

Laminación de roscas

Se usa para formar roscas en piezas cilíndricas mediante su laminación entre dos matrices.

Es el proceso comercial más importante para producción masiva de componentes con roscas externas (pernos y tornillos).

Estas máquinas están equipadas con matrices especiales que determinan el tamaño y forma de la rosca. Las matrices son de dos tipos:

  • Matrices planas que se mueven alternativamente entre sí.
  • Matrices redondas que giran relativamente entre sí para lograr la acción de laminado.

Laminación de ruedas dentadas

Es un proceso de conformado en frío que produce ruedas dentadas en la industria del automóvil, entre otros.

La instalación es similar al del laminado de roscas, excepto que las características de deformación de los cilindros o discos se orientan paralelamente a su eje (o a un ángulo en el caso de ruedas helicoidales), en lugar de fileteado espiral del laminado de roscas.

Laminado de tubo perforado

Es un proceso especializado de trabajo en caliente para hacer tubos sin costura de paredes gruesas.

Extrusión

El material se comprime dentro de una cámara, obligándolo a fluir a través de una salida o hilera con la forma de la pieza deseada.

El adecuado diseño del dado influye en gran modo en los rozamientos y, por tanto, en la magnitud de la fuerza de extrusión necesaria.

La extrusión se utiliza tanto para producir formas macizas como huecas, siendo un método ideal de producir tubos sin costura o unión. Para la producción de tubos es necesaria la utilización de un mandril que impida la fluencia del material por el centro del tubo, permitiendo obtener la forma hueca.

Estirado - Trefilado

Es una operación donde la sección transversal de una barra, varilla o alambre se reduce al tirar del material a través de la abertura de una matriz.

Las características generales del proceso son similares a la extrusión. Aunque la presencia de esfuerzos de tracción es obvia en el estirado, la compresión también juega un papel importante ya que el metal se comprime al pasar a través de la abertura de la matriz. Por esta razón, la deformación que ocurre en el estirado se le llama algunas veces compresión indirecta.

Se usa el término estirado para barras, mientras que para alambres se llama trefilado.

La diferencia básica entre estirado y trefilado es el tamaño del material que se procesa. El estirado de barras se refiere al material de diámetro grande, el trefilado de alambre se aplica al material de diámetro pequeño.

El estirado de barras se realiza como una operación de estirado simple. Debido a que el material inicial tiene un diámetro grande, su forma es más bien una pieza recta. Esto limita la longitud del trabajo que puede procesarse y es necesaria una operación tipo lote (discreta).

El alambre se trefila a partir de rollos de alambre que miden varios cientos (o miles) de metros de longitud y pasa a través de una serie de matrices de trefilado.

El trabajo de estirado se caracteriza por la reducción de área (r) y la reducción de diámetro (d)

Cizallado

Consiste en el corte de lámina (chapa) por una acción de cizalladura o cortante entre dos bordes afilados de corte.

Los bordes cizallados nunca son bordes rectos y tienen formas características, donde se distinguen varias zonas:

Para el corte de chapas gruesas, a veces la cuchilla superior es oblicua con respecto a la matriz, de modo que el corte sea progresivo, lo que permite cortar mayores espesores sin necesidad de utilizar fuerzas tan elevadas. Ello también implica mayor tiempo de operación.

Troquelado

Consiste en el corte de una lámina a lo largo de una línea cerrada en un sólo paso, para separar la pieza del material circundante.

Punzonado

Es un proceso muy similar al troquelado, excepto que la forma que se corta se desecha.

  • Matriz: útil donde se apoya la chapa. El agujero tiene una parte que corta llamada zona de vida (A) con longitud:
    • 3 a 4 mm 🡪 chapa de hasta 1,5 mm de espesor
    • 4 a 8 mm 🡪 espesores mayores

A partir de la zona de vida el agujero es cónico con α = 0’25º - 2º para facilitar el desprendimiento y salida del material sobrante.

  • Punzón: actúa como elemento cortante, junto a los bordes de la matriz.
  • Prensachapas: elemento que impide que el punzón arrastre chapa por presión.
  • Chapa: material de partida.

Disposición de las piezas

Las piezas deben de disponerse de la forma que se obtenga el mayor aprovechamiento posible de la chapa. Depende de la forma de la pieza y la necesidad de dejar un espacio mínimo entre piezas cortadas y entre la pieza y el borde de la chapa para evitar su deformación.

Plegado

Se define como la deformación local del metal alrededor de un eje recto.

Durante la operación de plegado, el metal dentro del plano neutral se comprime, mientras que el metal por fuera del plano neutral se alarga. El metal se deforma plásticamente.

El plegado produce poco o ningún cambio en el espesor de la lámina o chapa metálica.

Plegado en V

La lámina de metal se pliega entre un punzón y una matriz en forma de V.

El plegado en V se usa generalmente para operaciones de baja producción y se realizan frecuentemente en una prensa de cortina. Las correspondientes matrices en V son relativamente simples y de bajo costo.

Recuperación elástica

En la práctica siempre existe un régimen elástico que hará que la pieza recupere algo de su forma cuando desaparece la carga.

Soluciones:

  • Deformar el material más de lo necesario, para que una vez recuperada la forma, se aproxime.
  • Deformar localmente el material para minimizar el grado de recuperación.
  • Conformar la pieza a alta temperatura.
  • Someter la chapa a un esfuerzo de tracción mientras se pliega.

Embutición

Consiste en un conformado de láminas o chapas metálicas que se usa para hacer piezas de forma acopada, de caja y otras formas más complejas.

En embutición, la forma inicial de la pieza se obtiene previamente por troquelado.

Todos los bordes de contacto deben ser redondeados.

El rozamiento debe ser mínimo, por lo que las superficies deben estar muy bien pulida s y lubricadas. En embuticiones profundas se requieren varias etapas o embuticiones previas y, por tanto, varias matrices y punzones.

Entallado

Es un proceso de conformado en frío realizado en una máquina giratoria mediante el que se adapta una chapa plana a un útil mediante el uso de herramientas. Las piezas obtenidas deben ser siempre de simetría precisa de revolución.

Este procedimiento permite la obtención de piezas en casi cualquier tipo de chapa metálica (acero inoxidable, latón, aluminio...) en espesores finos y sin necesidad de costosos utillajes.

Adecuado para pequeñas y medianas series, resultando un eficaz complemento para procesos de embutición.

Curvado

Es un proceso de deformación en frío por el cual pueden obtenerse piezas de revolución (cilíndricas, cónicas…) a partir de chapa plana.

Se utiliza para la obtención de tubos o piezas de tamaño importante y reducido espesor, llevado a cabo en las llamadas curvadoras de cilindros

Mediante la aplicación de fuerzas externas de flexión y utilizando herramientas de formas adecuadas, podemos dar forma curva a un tubo recto, pudiendo tener éste distintos tipos de secciones.

Los tubos curvados se utilizan en multitud de aplicaciones, permitiendo amplias posibilidades de diseño: Mobiliario, estructuras, carrocerías de vehículos, conducciones, serpentines.

En el caso de curvado de tubos de pequeño espesor y/o radio es necesario el uso de mandriles internos y mordazas desplazables.

El mandril minimiza la deformación que se producirá en el tubo y las mordazas eliminan las arrugas en la parte interior de la curva del tubo.

Pueden ser sometidos a doblado/curvado tubos de:

  • Acero
  • Acero inoxidable
  • Aluminio
  • Cobre

En cualquier caso es necesario que el metal del tubo sometido a curvado tenga una adecuada capacidad de deformación plástica.

Doblado por prensado

La pieza de trabajo se coloca entre dos soportes y se presiona contra una matriz redonda (cabeza o punzón). Los dos soportes giran sobre un pivote conforme el cabezal se mueve hacia adelante manteniendo sujeta la pieza de trabajo.

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 obtener una rápida producción.

Aunque brinda poco control sobre el flujo del metal, es muy rápido.

Con las máquinas disponibles, el doblado por prensado con cabezal se aplica a tuberías de 10 a 350 mm de diámetro. Este método funciona para dobleces de hasta 165º, además se pueden doblar perfiles extremadamente gruesos.

El radio mínimo de doblado a la línea de centro por este método es 3 veces el diámetro a menos que sean tolerables deformaciones o aplastamientos en la sección doblada (así como en algunas aplicaciones estructurales). Se prefieren los radios de 4 a 6 veces el diámetro del tubo.

Doblado por rodillos

El tubo se hace pasar entre tres rodillos giratorios, siendo el central desplazable, obligándolo a adoptar la curvatura marcada.

El proceso es similar a doblado de chapa con rodillos. Se utiliza para curvar tubos y otros tipos de perfiles, sobre todo en curvado continuo (por ejemplo, serpentines).

Doblado por compresión

La pieza de trabajo se sujeta y dobla alrededor de un dado o bloque estacionario con la ayuda de un bloque o un rodillo seguidor. Hay algo más de fuerza de compresión que de tracción sobre la pieza de trabajo (aun cuando siempre haya tracción sobre la parte exterior de la curva), y el nombre del método se deriva de este hecho.

El doblado por compresión es un método común, que con frecuencia se realiza en máquinas accionadas a mano, sobre tubos u otros perfiles de espesores de pared delgados y medios y radios de doblado grandes. Los tubos de pared delgada usualmente no se doblan por este método.

Doblado por arrastre

La pieza de trabajo se sujeta contra un dado o bloque que tiene la forma de la curva, como en el doblado por compresión; pero ahora el dado gira tirando de la pieza de trabajo con una mordaza de presión y, en muchos casos, sobre un mandril.

Este método es adecuado para tubos de pared delgada, en especial cuando se doblan en radios pequeños, permite un control más preciso sobre la pieza de trabajo que cualquier otro método de doblado.