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Xavier Salueña Berna Amelia Nápoles Alberro Tecnología mecánica EDICIONS UPC Primera edición: octubre de 2000 Con la colaboración del Centre de Recursos de Suport a la Docència © Los autores, 2000 © Edicions UPC, 2000 Edicions de la Universitat Politècnica de Catalunya, SL Jordi Girona Salgado 31, 08034 Barcelona Tel.: 934 016 883 Fax: 934 015 885 Edicions Virtuals: www.edicionsupc.es e-mail: edupc@sg.upc.es Producción: CPDA Av. Diagonal 647, ETSEIB, 08028 Barcelona Depósito legal: B-34139-2000 ISBN: 84-8301-449-1 Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorización escrita de los titulares del copyright, bajo las san- ciones establecidas en las leyes, la reproducción total o parcial de esta obra por cualquier medio o pro- cedimiento, comprendidos la reprografía y el tratamiento informático, y la distribución de ejemplares de ella mediante alquiler o préstamo públicos, así como la exportación e importación de ejemplares para su distribución y venta fuera del ámbito de la Unión Europea. p3Índice ������ MÓDULO 1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 5 1. Introducción a la tecnología mecánica ........................................................................................ 7 2. Los materiales utilizados en la industria ...................................................................................... 7 3. Obtención de los metales ............................................................................................................ 8 4. Metales férricos............................................................................................................................ 9 5. Procedimientos tecnológicos para obtener piezas en bruto y acabadas .................................... 12 6. Fabricación flexible y técnicas avanzadas................................................................................... 19 Bibliografía ....................................................................................................................................... 20 MÓDULO 2. TRATAMIENTOS TÉRMICOS. CONFORMADO DE CHAPA EN FRÍO................... 21 TRATAMIENTOS TÉRMICOS .................................................................................................................. 23 1. Introducción ................................................................................................................................. 23 2. Tratamientos térmicos y termoquímicos más importantes .......................................................... 27 3. Tratamientos térmicos superficiales ............................................................................................ 31 4. Tratamientos superficiales por capa de sustrato......................................................................... 31 5. Tratamientos anticorrosión .......................................................................................................... 31 DEFORMACIÓN METÁLICA EN FRÍO ....................................................................................................... 33 1.Introducción................................................................................................................................... 33 2. Materiales utilizados .................................................................................................................... 33 3. Operaciones principales .............................................................................................................. 34 4. Evolución tecnológica en el conformado de chapa ..................................................................... 68 Bibliografía ....................................................................................................................................... 70 MÓDULO 3. MOLDEO DE PIEZAS METÁLICAS .......................................................................... 71 FUNDICIÓN Y MOLDEO......................................................................................................................... 73 1. Introducción al moldeo................................................................................................................. 73 2. Moldes desechables .................................................................................................................... 79 3. Moldeo con arena ........................................................................................................................ 81 4. Métodos de moldeo con moldes de arena................................................................................... 85 5. Moldes permanentes ...................................................................................................................113 6. Hornos..........................................................................................................................................122 Bibliografía .......................................................................................................................................123 MÓDULO 4. CONFORMADO POR FORJADO EN CALIENTE.....................................................125 1. Introducción .................................................................................................................................127 2. Comportamiento elástico-plástico de las piezas metálicas .........................................................128 3. Proceso de forja o estampación en caliente................................................................................130 4. Maquinarias utilizadas para la forja .............................................................................................135 5. Volúmenes de deslizamiento y de fricción...................................................................................138 6. Forjado con estampas .................................................................................................................142 Problemas resueltos ........................................................................................................................143 Bibliografía .......................................................................................................................................155 p4 TECNOLOGÍA MECÁNICA MÓDULO 5. MECANIZADO POR ARRANQUE DE VIRUTA ........................................................157 1. Introducción .................................................................................................................................159 2. Materiales mecanizables .............................................................................................................159 3. Procedimientos empleados en el arranque de material ..............................................................161 4. Proceso de arranque de material por medio de cuchillas ...........................................................164 5. Proceso de torneado....................................................................................................................175 6. Operaciones en torneado según la cantidad de material arrancado por etapa ..........................177 7. Cálculo de movimientos en torneado ..........................................................................................177 8. Tiempo total del proceso..............................................................................................................183 9. Número de filos por herramienta .................................................................................................184 10. Costos del proceso ....................................................................................................................185 11. Fuerza de corte..........................................................................................................................187 12. Potencia de corte .......................................................................................................................18913. Taladrado...................................................................................................................................197 14. Cálculo de movimientos en taladrado........................................................................................201 15. Tiempos del proceso..................................................................................................................205 16. Costos del proceso ....................................................................................................................207 17. Máquinas de taladrado ..............................................................................................................209 18. Taladrado de agujeros profundos..............................................................................................210 19. Automatización de las máquinas herramientas .........................................................................218 Bibliografía .......................................................................................................................................227 p5555Módulo 1. Introducción Módulo 1. Introducción Xavier Salueña Berna p6 TECNOLOGÍA MECÁNICA p7Módulo 1. Introducción ��� �������� ����� ���!��� �"#���!�$� �� La tecnología mecánica se puede definir como la ciencia encargada del estudio de la transformación de los materiales metálicos para la obtención de piezas o artículos de consumo. Como asignatura de fabricación es de vital importancia para el ingeniero de organización. Antiguamente la fabricación era considerada como un ente de la empresa desvinculada de la concepción y diseño del producto y que era la encargada de ejecutar unas ideas ya preconcebidas. Esto fomentaba un incremento del tiempo de ingeniería por necesidad de rediseños, por no poderse fabricar la pieza o por encarecer el producto en la fabricación. La filosofía actual no puede concebir el diseño del producto sin pensar en la fabricación. Si el diseño no es adecuado, la fabricación puede ser costosa y eso supone que el producto no será competitivo. Actualmente debido a la competencia y a la guerra de precios, la variabilidad del producto, el aumento de la calidad del producto y la disminución de los tiempos de entrega se aplica un concepto denominado ingeniería concurrente en el cual todos los departamentos implicados en un producto (Diseño, compras, ventas, fabricación...) deben intervenir en su concepción de manera paralela. El ingeniero de organización como elemento de ligazón de estos departamentos debe conocer como ingeniero cada parte de este todo y por tanto los métodos de fabricación. Por otro lado se vinculará aún más en la fabricación cuando se le exija una disminución del tiempo de elaboración, un aumento de la calidad, una reducción de los elementos almacenados, una flexibilidad, una reducción de los costos, una redistribución de los puestos de trabajo, una disminución de los re- corridos de las piezas, una organización del mantenimiento de la planta, un entorno mediambien- talmente sostenible y sin riesgos para los trabajadores... Debido a que en la actualidad los metales siguen siendo los materiales más utilizados en la fabri- cación esta asignatura es clave para obtener la base del conocimiento de los actuales métodos de su fabricación. La asignatura parte de una introducción donde se plantean que metales se utilizan más en la industria, la mayoría de los procesos más utilizados de elaboración de piezas metálicas existentes, nuevas técnicas de organización de la producción... A continuación se detalla la fabricación de piezas por deformación tanto en caliente como en frío, por fusión y colada y finalmente por arranque de viruta. Se trata también en la asignatura los tipos de tratamientos térmicos y anti-corrosión a que se someten las piezas. Con ello se obtendrá una visión generalizada de la tecnología mecánica, ya que su estudio completo comprendería toda una carrera. %�� ������!� � !���� &�����!�� �� ������ � Si realizásemos un balance sobre los materiales más utilizados en la industria comprobaríamos que son los metales y aleaciones, los plásticos, las cerámicas, los elastómeros y los materiales compuestos. Dentro de estos y si nos basamos en una tabla que valora a los dos primeros grupos, deduciremos que no materiales férricos continúan siendo los más utilizados a nivel mundial. Observaremos además que la manipulación del resto de materiales metálicos también es im- portante, por lo que el ingeniero debe enfatizar el estudio de la obtención y fabricación de las piezas metálicas. © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p8 TECNOLOGÍA MECÁNICA Material Producción mundial. (Tn *106) Densidad (kg/m3) Volumen producido mundial. (m3 * 106) Coste relativo Acero y fundición 768 7900 97 1 Aluminio 18 2700 6,7 3 Cobre 11 8900 1,2 5 Cinc 7 7100 1 4 Plomo 5 11300 0,41 3 Níquel 0,7 8900 0,08 10 Magnesio 0,4 1700 0,23 8 Tin 0,3 5800 0,05 20 Titanio 0,1 4500 0,02 26 Polímeros 85 900-2200 56 (Depende tipo) En este módulo de introducción comentaremos cómo se obtienen algunos de estos metales, la clasificación de los aceros según la IHA y las normas UNE, y en que formatos llegarán estos metales a nuestro taller procedentes de las metalurgias. '�����!�� ����!� ����!�� !� Los metales se suelen obtener a partir de minerales extraídos de minas subterráneas si el mineral se encuentra en vetas o a cielo abierto si se presentan en grandes depósitos. Metal Minerales Hierro Magnetita, hematita, limonita, goetita, siderita, taconita Aluminio Bauxita Cobre Calcopirita, calcocita, cuprita, azurita, bornita, malaquita, cobre nativo. Zinc Franklinita, willemita, cincita Plomo Galena Níquel Niconita, pentlandita, garnierita Magnesio Agua de mar (no mineral) Titanio Anatasa, Brookita y Rutilo No explicaremos en este curso los métodos de obtención de cada uno de los metales, ya que no es ninguno de nuestros objetivos. Como ejemplo comentaremos de manera sintetizada la obtención de los metales férricos. © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p9Módulo 1. Introducción (���!�� !��)*�� ��� Se obtienen fundiendo los minerales junto con carbón en los altos hornos. A veces también puede obtenerse por reducción directa pero es menos común. El hierro no existe en estado puro sino en minerales denominados mena. De las minas de hierro extraemos la ganga que consta de la mena y de tierra, barro y rocas. El contenido de hierro en las menas es de 40% en carbonatos y de 60% en óxidos. Es por eso que nos interesa trabajar con óxidos por lo que en caso de tener minerales de sulfuros o carbonatos primero los transformaremos en óxidos. (����+�� �,�,�,����-�.� �, � 1. Lavado, cribado y sinterizado Separamos parte de la ganga (tierra y barro) y trituramos el resto. � 2. Alto horno Reducción del hierro mediante carbón de coque (carbón con afinidad por oxígeno) y extracción total de la ganga con un fundente (cal, básica, si la ganga es ácida y sílice, ácido, si la ganga es básica) obteniendo el arrabio y la escoria. Separación por diferencia de densidades de la escoria del arrabio. El resultado es el arrabio que es hierro con un 2,5 a 5 % de carbono, 1 a 3% de silicio y azufre, fósforo, manganeso... � 3. Afino del arrabio Quemamos el Azufre y el fósforo y afinamos el tanto por ciento de carbono al material. Entran Salen Mineral...........2t Arrabio...............1t Coque............1t Escorias...........0,5 t Fundente......0,5 t Gases................6 t Aire................4 t Las escorias se utilizan como abonos, aislantes térmicos... Dependiendo del tanto por ciento de carbono del metal férrico obtendremos hierro, acero o fundición. Se considera como hierro el metal férrico con 0,05 a 0,08 % de C ; aceros con 0,08 a 1,8 % de C y fundición con 2,5 a 5 % de C. Debido a que el arrabio contiene impurezas y un alto contenido de carbono debemos afinarlo. © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p10 TECNOLOGÍA MECÁNICA Afino del arrabioEsquema: Arrabio CUCHARA Afino del Acero Convertidor (Sin solidificar) H. eléctrico Afino del Acero (A. solidificado H. Martín-Siemens más chatarra) SURCOS Afino de fundición (A. Solidificado) Cubilote (�%���/� ������� ��� � Afino en convertidor o horno básico de oxígeno Consiste en quemar por medio de oxígeno tanto las impurezas (fósforo,azufre...) como el exceso de carbono del arrabio líquido. Los problemas de estos convertidores es que producen óxido de hierro y nitrógeno por lo que los aceros obtenidos son de calidad media aptos para elaborar tubos, chapas, perfiles laminados, alambre. � Afino en horno Martin-Siemens o de hogar abierto Son hornos de gas que funden en su interior a 1800ºC lingotes de arrabio solidificado y chatarra. Al alcanzar dicha temperatura se destruyen todas las impurezas y se consiguen aceros de calidad aptos para fabricar piezas de maquinaria. � Afino en horno eléctrico Transforman la energía eléctrica en calor por lo que alcanzan temperaturas superiores a los anteriores. Al no generarse llama sólo se queman las impurezas y no el metal. Los aceros son de alta calidad o aleados. Los dos tipos de hornos eléctricos son: De arco y de inducción. Una vez afinado el acero se recoge en cuchara y vierte en lingoteras obteniendo lingotes de acero que tras calentarse en pozos de inmersión se forjarán o laminarán para obtener piezas comerciales. (�'���/� ��������/� �� �� � Cubilote El cubilote es un horno cilíndrico en el cual se introducen capas alternadas de arrabio y de carbón de coque (tras encender con maderas) hasta sobrepasar la altura de las toberas. Una vez incandescente se añade el fundente y se inyecta aire por las toberas. El metal fundido cae en un crisol y cuando está lleno se abre la piquera y se recoge el metal en cucharas de colada para después verter en los moldes de fundición. La diferencia entre los aceros y la fundición en cuanto a propiedades se refiere: © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p11Módulo 1. Introducción Aceros Fundición Dureza media Gran dureza (F blanca), dureza media (F gris) Resilencia Baja resilencia Soldabilidad No soldables Forjables No forjables Dúctiles y maleables No dúctiles ni maleables Resistencia No resistencia Oxidan Resistencia a corrosión No colabilidad Colabilidad (�(���0�� �� ����/��1�,� �1�� ����,����� ���, Una vez obtenidos los lingotes de acero y cuando aún están incandescentes se depositan en unos rodillos que llevan al lingote hacia unos cilindros donde se obliga a pasar el material entre ellos reduciendo su espesor y adoptando formas determinadas. Es lo que se denomina laminación en caliente. � Formas comerciales de aceros más comunes Nombre Ancho (mm) Espesor (mm) Plano ancho 200 a 600 4 a 10 Llanta (12) 10 a 200 10 a 120 Pletina (13) 10 a 200 4 a 10 Fleje (14) inf a 200 inf a 4 Chapa sup a 600 >6 gruesa 3-6 media <6 fina Redondo (7) D 5 a 200 Cuadrado (8) L 8 a 100 Vigas (1) Forma de I Hexagonal (9) 5 a 70 Pasamanos (10) segm circular Medio redondo (11) semicircular 10 a 25 Perfil en U (2) Forma de U Angular (3 y 4) Forma de L Carril Vía del tren Perfil en Z (6) Forma de Z Perfil en T (5) Forma de T Perfiles especiales Distintas formas � Secciones de algunas formas comerciales © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p12 TECNOLOGÍA MECÁNICA (�2������,�/��1�,� �1�� ����, � Tubos - Sin soldadura - Con soldadura � Alambres Se obtienen por trefilado que consiste en hacer pasar a material por una hilera arrastrado por bobinas. � Laminación en frío Otro tipo de método para obtener perfiles es mediante laminación pero con el material no en estado plástico. El material obtenido es más duro y de más resistencia. (�3��)��1�,� �1�� ����,����1�����,� ��/4��� �, Se suelen obtener por extrusión. Consiste en presionar mediante un émbolo una masa de material a baja o alta temperatura forzándole a salir por una hilera o matriz . � Cobre - Planchas, tubos, alambres y pletinas. � Latones - Redondos, hexagonales, planchas y tubos. � Bronces - Chapas, alambres, planos anchos y tubos. � Aluminio - Pletinas, chapas, redondos, alambres y perfiles. � Estaño - Chapas finas, láminas y alambres. � Zinc - Tubos y canalones. (�5����0��,����� ���, Los aceros son muy utilizados en la industria y por tanto también en esta asignatura. Es por ello necesario tener unas tablas de aceros con las propiedades básicas de estos, temperaturas de forja, características de los tratamientos térmicos ... Debido a que los aceros más utilizados en la construcción mecánica son los aceros finos (con un porcentaje de impurezas no superiores a ciertos límites) tendremos tablas sólo de estos aceros según normas IHA y UNE. Los aceros finos se dividen además en tres grupos: aceros de construcción, aceros de herramientas y aceros inoxidables y resistentes al calor. En esta asignatura trabajaremos sólo con las tablas de aceros de construcción e inoxidables. Las tablas están al final de este módulo. 2��+���!� � !������!��� �" ����+�������!�!��+ !&���!������� 6��������� En este apartado describiremos esquemáticamente o enunciaremos cuáles son los procedimientos para obtener las piezas acabadas. La pieza en bruto se suele obtener normalmente en las siderurgias o metalurgias en forma de lingote o productos comerciales. En las fundiciones, forja,... obtenemos productos semielaborados y finalmente tras el mecanizado tenemos la pieza final. El © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p13Módulo 1. Introducción alumno no debe profundizar en estos procesos, sencillamente es necesario que sea consciente de su existencia. En los más importantes ya profundizaremos en próximos módulos. En este curso trataremos todos los apartados marcados con asterisco. (*) 2����!,7��1�����8�� �,�,�8�����0�� ���8��9�,���/��1�,�� �0���� � Laminación � Trefilado � Fundición (*) � Forja rápida � Estampado en caliente o forja lenta (*) Se hace pasar un lingote de material caliente (o frío) entre cilindros para obtener chapa o barra con perfil. Barra de laminado en frío se pasa por hilera de embocadura para obtener alambre. A partir de metal fundido y moldes se obtiene la pieza. Se realiza un esbozo de la pieza en caliente mediante un martinete Se imprime en caliente en estampa (con martillo o prensa) un elemento esbozado en forja rápida. © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p14 TECNOLOGÍA MECÁNICA � Estampado en frío (*) � Extrusión en caliente o frío � Sinterización 2�%��!,7��1�����8�� �,�,�8�����0�� ���8��9�,���,0�,����,���� �0���, � Arranque de viruta � Torneado (*) � Taladrado (*) � A partir de una chapa mediante troqueles y prensas mecánicas o hidráulicas. Corte, doblado y embutido... Se Impele hacia fuera mediante fuerza el metal introducido en una matriz para obtener un perfil. Se Calienta y prensa polvos de metal para obtener las piezas. Se crea un hueco cilíndrico en la pieza. Se perfila alrededor de un eje un sólido de revolución la pieza. Máquinas: Tornos o centros de torneado. Operaciones: Cilindrado, refrentado, ranurado, tronzado, roscado o fileteado, mandrinado, perfilar o copiar en redondo. © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p15Módulo 1. Introducción Escariado, mandrinado � Limado � Cepillado o planeado � Mortajado � Brochado Cilindrado interior de precisión. Se arranca viruta horizontal de la pieza. Pieza fija Se Arranca viruta horizontal en dos direcciones. Pieza móvil. Acción de arrancar viruta verticalmente para conseguir ranuras longitudinales. Dentaduras si se trata de engra- najes. Se repasa con una brocha (herramienta de filos esca- lonados) un agujero cilíndrico o superficie exterior para transformar el perfil de la pieza. © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p16 TECNOLOGÍA MECÁNICA � Fresado � Aserrado � Dentado � Roscadoras Electroerosión � Arranque de partículas � Rectificado Se arranca viruta de la pieza mediante herramientas circulares de cortes múltiples. Se recortan piezas erosionando el material eléctricamente. Tipos:Hilo y penetración (ECM, EDM) Muy utilizado en matricería y moldes. Consiste en la fabricación de engranajes Por: Dentadoras por fresa madre o mortajadoras Fellocus o Maag Se corrige con precisión una superficie plana, cilíndrica, cónica,... con una muela . Consiste en separar un trozo de una barra. Existen: - Sierras circulares (tubos ...) - Sierras de cinta - Sierras alternativas Se utilizan para roscar agujeros. © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p17Módulo 1. Introducción � Bruñido o lapidado � Afiladoras, pulidoras, esmeriladoras, rebabadoras, ultrasonidos 2�'������,��8��� �� �,��18���� ��, � Cortar (*) Consiste en separar las piezas Aserrado mecánico Electroerosión Punzonado Láser Oxicorte Por plasma Chorro de agua � Soldadura Consiste en unir piezas en una unión rígida no desmontable � Arco eléctrico � Resistencia Se repasa con abrasivos de grano fino y aceite una super- ficie templada y rectificada o alisada. Es un pulido, afilado ... sin precisión dimensional. © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p18 TECNOLOGÍA MECÁNICA � Puntos y roldana Puntos: Roldana: � Autógena � Láser � Chorro de plasma A. Electrodo D. Metal base B. Enfriamiento E. Baño de fusión C. Arco � MIG © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p19Módulo 1. Introducción � MAG � TIG A. Boquilla E. Arco B. Metal de aportación F. Cordón de soldadura C. Electrodo G. Baño de fusión D. Gas protector H. Metal de base � Tratamientos térmicos y tratamientos anticorrosión (*) � Medición y verificación (*) � Máquinas de ensayos 3��)��� ��� ���) !� � !�6��*�� �����:��&���� (Clase inagural) © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p20 TECNOLOGÍA MECÁNICA � � �"��)#� � Chevalier, Bohan: Tecnología del diseño y fabricación de piezas metálicas. Ed. LIMUSA Noriega editores. 1998. � Neely: Materiales y procesos de manufactura Ed. LIMUSA Noriega editores. 1992. � Ferré, R.: La fábrica flexible Productica Ed Marcombo. 1988. © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p21Módulo 2. Tratamientos térmicos conformado de chapa en frío �������� � �� ����� �� ������� ����������� ���������������� ������������������� p22 TECNOLOGÍA MECÁNICA p23Módulo 2. Tratamientos térmicos conformado de chapa en frío RATAMIENTOS TÉRMICOS � � ! "#$%�� &! Un tratamiento térmico es un proceso utilizado para modificar las características mecánicas de ciertas aleaciones mediante ciclos de calentamiento y enfriamiento del material de tal forma que se modifiquen sus constituyentes. Para que sea efectivo el metal debe estar aleado por ciertos átomos. En un tratamiento termoquímico se pretende la inserción de partículas en las retículas cristalinas de la superficie para alear la superficie de la pieza y que el tratamiento térmico sea efectivo. El tratamiento térmico puede realizarse sobre toda la pieza o en la superficie. � � �'����������������� �� ����� ��� ������� Se suelen aplicar después de mecanizar la pieza. Debido a que al calentar la pieza acabada esta se deforma tras el tratamiento debemos rectificar ciertas piezas para conseguir la calidad geométrica y dimensional necesaria. Actualmente y debido a la evolución de las técnicas de mecanizado podemos arrancar viruta de materiales desbastados y tratados térmicamente por lo que podemos evitar operaciones innecesarias. Mecanizado ---- Tratamientos térmicos --- Rectificado � Consideraciones Diferencia de resistencia a tracción y dureza entre metal puro y aleación. Podemos comprobar que una aleación posee mayor resistencia a la tracción que un metal puro de la misma sección. Si calentamos las probetas anteriores a 850ºC y enfriamos bruscamente observaremos que la probeta de metal puro no modifica sus propiedades mientras que la aleada con carbono aumenta su resistencia considerablemente. © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p24 TECNOLOGÍA MECÁNICA La dureza y resistencia se incrementan en la segunda probeta aleada. ¿A qué se debe? Estudiemos brevemente la composición de los metales y de sus aleaciones. � Estado metálico Los metales en estado sólido presentan una estructura cristalina en los cuales los átomos aparecen formando redes cristalinas. En el caso de metales puros, a temperatura ambiente, se presenta siempre la misma estructura. En cambio en aleaciones puede darse para este caso estructuras diferentes según sea la velocidad de enfriamiento. Esto se debe a que el metal puro de hierro, por ejemplo, no contiene carbono y el aleado sí. En el aleado al enfriarse sus átomos de carbono al ser mayores a los de hierro quedan aprisionados en la retícula cristalina por lo que forman granos más compactos, duros y resistentes. La cantidad de átomos encerrados en la retícula dependerá de la velocidad de enfriamiento del metal. � Diagrama Hierro – carbono simplificado © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p25Módulo 2. Tratamientos térmicos conformado de chapa en frío Veamos las estructuras cristalinas del metal de hierro a 1100°C y a temperatura ambiente. � Estructura del acero en estado pastoso a 1100°C, austenita, red cúbica centrada en las caras � Estructura del hierro a temperatura ambiente , red cúbica centrada Si realizo un enfriamiento lento 20ºC a 40ºC por hora la austenita se transforma en perlita - ferrita o perlita – cementita dependiendo del porcentaje de carbono del acero. La estructura de red cúbica centrada en las caras pasa a cúbica centrada con la posibilidad que los átomos de carbono salgan de la retícula cristalina. Si los átomos de carbono escapan el metal será menos duro y menos resistente. Si realizo un enfriamiento más rápido 30ºC a 50ºC por minuto la austenita se transforma en estructura más fina que es la troostita. Quedan más átomos de carbono encerrados. Si el enfriamiento es muy rápido 200ºC a 500ºC por segundo la austenita se transforma en martensita. La estructura de red cúbica centrada en las caras pasa a cúbica centrada y la mayoría de los átomos de carbono quedan aprisionados en el interior de la retícula cristalina. A mayor velocidad de enfriamiento el carbono tendrá menos tiempo para escapar de la retícula cristalina y se conseguirá una estructura más dura, más resistente pero también más frágil. � Diagramas de Bain (TTT) Para estudiar la transformación de la austenita al enfriarse se construyeron unas gráficas experimentales de temperatura-tiempo-transformación denominadas de Bain. Como se ve consta de dos curvas una inicio de transformación y otra de fin de transformación. Primero el metal debe calentarse a temperatura crítica y después enfriarse hasta la curva de inicio de transformación. En el tramo entre las dos curvas la temperatura debe mantenerse constante (en un baño salino) y después volver a enfriarse. © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p26 TECNOLOGÍA MECÁNICA � Influencia de la velocidad de enfriamiento. Esta propiedad de los aceros de modificar sus propiedades como la dureza y la resistencia a la tracción se utiliza mucho en fabricación. © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p27Módulo 2. Tratamientos térmicos conformado de chapa en frío � � "' '� (! #�� )"� �#��*� ("�#+%,� �#���-�� �.#" '! (� � Temple � Revenido � Bonificado � Recocido � Normalizado � Cementación � Nitruración � Carbonitruración � Cianuración � Sulfinización � � � �� ����� ��� ������� � Temple Se transforma la austenita en martensita mediante un enfriamiento muy rápido con velocidad superior a la crítica. Esto provoca que la pieza gane la máxima dureza pero también mayor fragilidad. El enfriamiento se suele realizar con agua si se quiere un enfriamiento más brusco, mayor dureza, o aceite si no se quiere tanta brusquedad, menor dureza. A mayor temperatura de temple también se conseguirá mayor dureza o resistencia o viceversa. © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p28 TECNOLOGÍA MECÁNICA � Temple En piezas muy gruesas y debido a que el enfriamiento debe ser desde 850ºC a temperatura ambiente en menos de 2 segundos, hace que esta no se transformetotalmente en martensita. Esto crea tensiones internas en casos de piezas con partes gruesas y delgadas. La dureza y la resistencia mecánica aumentan cuanto mayor es el porcentaje de carbono en el acero. � Revenido Como hemos visto en el temple las piezas adquieren fragilidad (resilencia) y cuando tienen partes finas y gruesas se pueden crear tensiones internas. Para dar una mayor tenacidad a las piezas y eliminar estas tensiones se realiza el revenido. El revenido consiste en calentar la pieza hasta una temperatura por debajo de la crítica hasta que la estructura se transforme en una menos dura que la martensita (sorbita o martensita revenida). A mayor temperatura de revenido, menor dureza © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p29Módulo 2. Tratamientos térmicos conformado de chapa en frío El conjunto de temple y máximo revenido se denomina Bonificado. En el temple y revenido lo que pretendemos es llegar a un compromiso entre la resilencia y la dureza que debe tener nuestro material. Cuanta más dureza tenga el material más frágil será y viceversa. � Recocido Cuando sometemos al material a elaboraciones plásticas (laminados, forjados, embutidos...) o enfria- mientos en malas condiciones se producen desmenuzamientos de los cristales y su compenetración, deformándose la retícula y creando tensiones internas. La finalidad del recocido es el eliminar estas tensiones internas obteniéndose estructuras más blandas y de fácil mecanización. Se distinguen dos tipos � Recocido de ablandamiento (recocido) � Recocido de regeneración (normalizado) � Recocido de ablandamiento Se calienta la pieza por encima de la temperatura crítica y se deja enfriar lentamente en el mismo horno donde se calentó. Se obtiene una estructura más blanda de perlita-ferrita (normal). © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p30 TECNOLOGÍA MECÁNICA � Normalizado Se calienta la pieza por encima de la temperatura crítica y se deja enfriar en aire en reposo. Se consigue una estructura más fina y homogénea que el recocido. Comparación entre los diferentes métodos. � � � �� ����� ��� ����/��������������������� � Cementación Hemos comentado antes que cuanto más carbono tenga la aleación más dureza podemos alcanzar. En el caso de aceros dulces y extradulces se carbura superficialmente la pieza en presencia de cementante. Después dicha pieza se templa obteniéndose así una pieza superficialmente dura pero cuyo núcleo (no cementado) es tenaz. Se utiliza para piezas con gran resistencia al desgaste y a la vez elevada resilencia (engranajes, cigüeñales, rodillos, levas, crucetas, articulaciones...). � Nitruración Se utiliza para endurecer superficialmente las piezas y protegerlas de la corrosión por absorción de nitrógeno a una temperatura determinada por parte del acero. (herramientas como brocas...) � Carbonitruración Se utiliza en piezas de gran espesor. Consiste de endurecer superficialmente las piezas y evitar su corrosión (en caliente) gaseando por carbonitruración los aceros tanto de bajo contenido en carbono como incluso los de aleación media. El acero absorbe así tanto carbono como nitrógeno. � Cianuración Igual que el método anterior pero con baños de cianuro. � Sulfinización Se incorpora a la capa superficial de algunos metales, acero, carbono, nitrógeno y sobre todo azufre mediante un baño a una temperatura determinada. Se aumenta la resistencia al desgaste de los metales y se disminuye su coeficiente de rozamiento. © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p31Módulo 2. Tratamientos térmicos conformado de chapa en frío Imagenes de diferentes tipo de grano Bainita Troostita Sorbita Martensita 0 � "' '� (! #�� )"� �#���%.("1 � '2(� En estos sistemas se realiza un temple solamente de la superficie de la pieza y no del núcleo. De esta forma conseguimos piezas resistentes al desgaste exterior pero tenaces interiormente. Enumeraremos los tipos que dependen principalmente de la forma de calentar la superficie de la pieza: � Temple a la llama oxiacetilénica � Temple por inducción � Temple por láser � Temple por haz de electrones � Temple en vacío por plasma 3 � "' '� (! #���%.("1 � '2(��.#"��'.'�$(��%� "' # Se consigue endurecer la superficie de la pieza aleándola pero sin aplicar ningún tratamiento térmico. � Pulverización catódica � Recubrimiento iónico � Implantación iónica � Deposición química 4� "' '� (! #��'! �#""#� &! Se recubre la pieza externamente sin modificar su estructura para evitar la corrosión � Pintado � Plastificado © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p32 TECNOLOGÍA MECÁNICA � Ejemplo Se requiere de un acero al carbono de gran elasticidad para la construcción de muelles cuya resistencia, tras un temple y un revenido para los intervalos recomendados según tablas, pueda alcanzar una resis- tencia de aproximadamente 150 kg/mm2. � a. Determinar de qué acero se trata. � b. Determinar para que condiciones se conseguiría la máxima dureza según tablas. Condiciones %C= ....... Ttemple = ......... ºC TRevenido = ......... ºC temple en agua o aceite? � c. Determinar en que condiciones se conseguiría la resistencia requerida en los muelles tras el temple y el revenido. Condiciones %C= ....... Ttemple = ......... ºC TRevenido = ......... ºC temple en agua o aceite? Resolución � a. En este apartado debemos recurrir a la tabla de los aceros, exactamente al apartado de aceros de gran elasticidad. De estos aceros existen dos que son al Carbono propiamente dicho: El F-141 y el F- 142 según IHA. De estos dos tipos el único que nos asegura la resistencia de 150 kg/mm2 es el F-142. IHA Designación % C Temple ºC Revenido ºC R ( kg/mm2 ) F-141 Acero al C de temple en aceite para muelles 0,6 0,8 815 - 825 Aceite 350 - 650 Aire 130 - 140 F-142 Acero al C de temple en agua para muelles 0,4 0,6 800 - 820 Agua 350 – 650 Aire 115 - 160 La tabla nos da la información siguiente respecto a los valores de la resistencia del material tras el tratamiento. 1.En las condiciones más propicias para aumentar la resistencia, es decir: % C Máximo Temperatura de temple máxima con enfriamiento en agua (más brusco que el aceite) Temperatura de revenido mímima La resistencia será de 160 kg/mm2 2.En las condiciones más propicias para disminuir la resistencia, es decir: % C Mínimo Temperatura de temple mínima con enfriamiento en agua (Ya que lo marca la tabla podría ser menor con la utilización de aceite) Temperatura de revenido máxima La resistencia será de 115 kg/mm2 � b. Así para conseguir la máxima resistencia , o sea dureza las condiciones son: Condiciones %C= 0,6 Ttemple = 820 ºC enfriamiento en: (agua) TRevenido = 350 ºC (aire) � c. Para conseguir 150 kg/mm2 debido a que está más próxima a 160 que a 115 kg/mm2 trataremos de conseguir el valor máximo de resistencia mediante temple y ajustaremos por revenido. Si aumentamos la temperatura de revenido la resistencia disminuirá. El valor de temperatura de revenido es apro-ximado. Otra temperatura de revenido como 500ºC se aceptaría pero no la de 600 o 650 ºC ya que dis-minuiríamos demasiado la resistencia ya que el valor conseguido en el caso de 650 ºC estaría próximo al valor medio de entre 160 y 115 kg/mm2 . Condiciones %C= 0,6 Ttemple = 820 ºC enfriamiento en: (agua) TRevenido = 450 ºC (aire)© los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p33Módulo 2. Tratamientos térmicos conformado de chapa en frío $EFORMACIÓN METÁLICA EN FRÍO � � ! "#$%�� &! La deformación metálica en frío consiste en conformar o cortar un material de un poco espesor, normalmente inferior a 15 mm, sin calentamiento de este (excepto la embutición de chapas de acero duro o semiduro de espesor mayor a 7mm en que se trabaja en caliente). Debido a este pequeño espesor y por tanto a su baja resistencia a ser trabajado, no es necesario aumentar la temperatura del material hasta un estado plástico como en el caso de la forja para trabajarlo. Dada laprecisión dimensional de este método, no sólo es utilizado en chapa sino que se utiliza para acabar piezas obtenidas por otros procedimientos. Además de la precisión dimensional y buen acabado conseguimos mayor resistencia mecánica y dureza que en el caso de deformación en caliente. Debido al gran uso de la chapa para la fabricación de piezas, carrocerías, trabajos de calderería como tuberías, material eléctrico, latas o objetos tan cotidianos como ollas, cubertería, fregaderos, estuches metálicos, agujas de hilo... su estudio se realiza de forma independiente según el grosor de la chapa. Así se llama hojalatería o calderería fina si el espesor es menor a 1 mm, chapistería de 1 a 3 mm y calderería gruesa si es mayor a 3 mm. En nuestro estudio nos referiremos al trabajo en chapa en general que como se sabe se obtiene por laminación en caliente en las metalurgias. � ��' (" '2(��% 2 5'$#� Los materiales de las chapas utilizadas en la conformación en frío deben ser materiales con las siguientes características: � La plasticidad que es la capacidad que debe tener el material para deformarse de forma permanente sin romperse. Es importante que el material sea dúctil y maleable es decir que sea plástico al traccionarse y al comprimirse respectivamente. � Un límite elástico bajo, es decir, que debe poderse deformarse con facilidad, ya que un material sólo consigue deformarse permanentemente si se ejercen esfuerzos superiores a dicho límite. © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p34 TECNOLOGÍA MECÁNICA Existe por encima del límite elástico un punto, denominado de ruptura, donde el material se rompe. Al deformarse el material se va endureciendo progresivamente hasta llegar a este punto. Si cesamos el esfuerzo en un punto de la zona no elástica próximo al punto de rotura por unos instantes y se- guimos con el mismo esfuerzo, reemprenderemos la deformación con la dureza que teníamos antes de parar y por lo tanto al aumentar el esfuerzo se romperá la chapa. Si después de parar recociéramos la chapa, eliminando las tensiones internas y por lo tanto reblandeciendo el material, nos alejaríamos del punto de ruptura aun conservando la deformación conseguida. Esto nos per- mitiría conseguir mayores deformaciones ya que restauraríamos su plasticidad. Otro parámetro a tener en cuenta en algunas operaciones como el doblado es que los materiales tienen una recuperación elástica, es decir, que aunque se deformen permanentemente suelen retroceder hacia su antigua posición algunos grados. Por eso al doblarse se debe hacer con unos grados por exceso para compensar este hecho. Teniendo en cuenta todas estas consideraciones, los materiales más idóneos en el trabajo de chapa son: � Aceros dulces y extradulces (bajo contenido en carbono.) � Aceros austeníticos inoxidables. � Latón y cobre. � Aleaciones ligeras y de aluminio-cobre. En el caso de chapas de aceros realizadas por laminación en caliente y que deban trabajarse en frío, es conveniente realizar previamente un decapado químico (ataque con HCl o HSO4) para eliminar el óxido y un recocido para reblandecer el material. Normalmente y para evitar la corrosión, algunas chapas se galvanizan con cromo o zinc. Estas chapas se obtienen de las metalurgias en forma de carretes de chapa enrollada o de láminas. 0 �#.("'� #!(��." !� .'2(� Se nombran algunas de las operaciones que realizamos mediante deformación en frío y que estudiaremos a continuación: � Cizallado � Doblado o estampado � Aplanado � Rebordeado, plegado o perfilado � Perfilado � Troquelado � Embutido � Entallado � Otras 0 � ���6������ Previamente a cualquier trabajo es preciso cortar la chapa con unas dimensiones de ancho y largo en función de la pieza final a obtener (en caso de calderería) o sólo en función del ancho para que las tiras de chapa denominadas bandas se adapten a las guías del útil de trabajo de chapa (matriz). © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p35Módulo 2. Tratamientos térmicos conformado de chapa en frío El corte de la chapa en línea recta es el cizallado y se realiza por medio de una cizalladora que es una máquina que contiene dos cuchillas metálicas que al cerrarse cortan la chapa. En el esquema adjunto se muestran las cuchillas durante el corte mostrando la cara de corte y los respectivos ángulos correspondientes. Siendo α el ángulo de incidencia, β el ángulo de corte y γ el ángulo de desprendimiento. Estos ángulos dependen de la dureza del material a trabajar y la de la propia cuchilla. En las cuchillas de acero al carbono empleadas para cortar planchas de acero dulce, dichos ángulos son: α = 6º ; β = 80º y γ = 4º. Existen varios tipos de montajes según la orientación de las cuchillas: Cizallas de cuchillas y de oblicuidad constante. En ambas la fuerza de corte es igual a la sección de corte S por el esfuerzo a cortadura σt. La sección de corte es menor en el caso de cuchillas de oblicuidad constante por lo que requiere de máquinas cizalladoras menos potentes para el mismo grosor s y ancho a de chapa. El esfuerzo a cortadura σt = 0,8 σr. donde σr es la resistencia a la rotura. En las cuchillas de oblicuidad constante se recomienda un ángulo de inclinación λ = 10º. a. Paralelas b. oblicuidad constante En que el esfuerzo de corte es: F= S.σt = a.s. σt (Cuchillas paralelas) F = 0,25 s2 σt / tg λ (λ = 10º) (Cuchillas oblícuas) © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p36363636 TECNOLOGÍA MECÁNICA Para el cálculo de la fuerza de corte se muestran los valores del esfuerzo de corte σt. MATERIALES Res. a la cortadura en Kg/mm2 σσσσt Laminado Recocido Acero lam. 0,1 % C 32 25 Acero lam. 0,2 % C 40 32 Acero lam. 0,3 % C 48 35 Acero lam. inoxidable 60 52 Acero lam. al silicio 56 45 Aluminio 13 - 15 6 - 7 Anticorodal 25 - 29 9 - 10 Alpaca laminada 45 - 46 28 - 36 Bronce 40 - 60 32 - 40 Cinc 20 12 Cobre 25 - 30 18 – 22 Duraluminio 30 - 36 13 – 16 Estaño - 3 – 4 Latón 35 - 40 22 – 30 Plata laminada 23,5 23,5 Plomo - 2 – 3 Las velocidades de corte suelen ser V = 1 a 2 m/min. Luego la potencia absorbida en corte N = F. V Cizallado en bobinas Cizallado en formatos 3.2. Doblado Consiste en doblar las planchas de chapa mediante máquinas dobladoras (a base de rodillos) o pren- sas con moldes o estampas (macho y hembra) de material duro y resistente como aceros aleados o al carbono endurecidos. En el esquema se muestra una estampa para doblar. © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p37Módulo 2. Tratamientos térmicos conformado de chapa en frío 1. Punzón 2. Chapa 3. Estampa o matriz Elegiremos los radios de curvatura siguientes: Rmín = s (aceros) Rmín = (0,4 - 0,5).s (Aleaciones ligeras) Donde s es el espesor de la chapa. Hemos de tener en cuenta que al cesar la fuerza de doblado la chapa puede enderezarse en parte debido al retorno elástico. Por ello no se puede prever mucha exactitud en la forma final de la pieza. El esfuerzo necesario para doblar F R bs a s= 3 2 2 Donde Rs = Carga unitaria en el lím elástico. 0 0 �'����������������������� Este proceso se utiliza para la obtención de chapas finas a partir de chapas procedentes de la si- derurgia. El aplanado se produce traccionando la chapa mientras se la conduce a través de unos rodillos de acero endurecido. © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p38 TECNOLOGÍA MECÁNICA 0 3 �"�7��������8����9��� Se unen por plegado los bordes de junta de una chapa formando superficies cerradas o perfiladas. a. Plegado b y c. Rebordeado d. Plegado acanalado 0 4 � ��/������ � Troquelado, corte y punzonado Consiste en agujerear o recortar una banda de chapa por medio de un útil que corta por presión. Si el trozo recortado de la chapa es la pieza que aprovechamos decimos que hacemos un recorte. Si el trozo que agujereamos en la chapa es el residuo entonces hacemos un agujero. La operación de recortarse denomina corte mientras que la de agujerear punzonado. Los diámetros de los agujeros troquelados son como mínimo 0,8 veces el espesor de la chapa por lo que utilizaremos otros métodos para agujeros más pequeños. El útil de troquelado consta de un punzón y de una matriz de acero especial rectificado. Estos elementos se fijan a una prensa balancín o excéntrica. La matriz se fija a la bancada y el punzón a la parte móvil de la prensa. Realmente el punzón, o juego de punzones, no va unido directamente a la prensa. Los punzones se fijan a una placa que se denomina portapunzones y que va unida a la parte móvil de la prensa por un mango situado en el centro de presiones de los punzones. El material de las matrices suele ser acero templado F-552, F-551, F-514 (para pequeñas series) según IHA o aceros moldeados al manganeso (para útiles de grandes dimensiones). La longitud máxima del punzón se calcula a pandeo. © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p39Módulo 2. Tratamientos térmicos conformado de chapa en frío Esquema del útil de troquelado Esquema del troquelado � Matriz: Útil donde se apoya la chapa. El agujero tiene una parte que es la que corta llamada zona de vida (A) cuya longitud es de 3 a 4 mm si trabajamos con chapa hasta 1,5 mm de espesor y de 4 a 8 mm para espesores mayores. A partir de la zona de vida el agujero es cónico con α entre 0,25º y 2º para facilitar el desprendimiento del material sobrante. � Punzón. � Prensachapas (Elemento que impide que el punzón arrastre chapa por presión, utilizado en troque-lado de precisión) � Chapa. Es necesario que exista un juego entre la matriz y el punzón que está en función del espesor y el material de la chapa así como del diámetro nominal del agujero o recorte. © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p40 TECNOLOGÍA MECÁNICA � Fuerza total y potencia de troquelado El esfuerzo total en troquelado es: FT = F + Fext Donde: F es la fuerza de troquelado F = p . s . σt . k p = perímetro recortado s = espesor de la chapa σt = resistencia a la cortadura k = coeficiente de seguridad (1,1) Fext es la fuerza de extracción de la pieza, ya que la tira de chapa se queda enganchada al punzón y debemos hacer una fuerza suplementaria al subir el punzón mientras presionamos con prensachapas o también denominados extractores. Fext = 2 - 7 % F (Dependiendo del perímetro que haga fuerza contra el punzón.) Debido a que la chapa se corta antes de que el punzón baje la profundidad correspondiente al espesor de la chapa, debemos calcular la carrera (activa) en la cual el punzón está cortando realmente la chapa. La carrera activa del punzón c en función del espesor de la chapa s es: Materiales tenaces: c = 0,6.s Materiales duros: c = 0,4.s Como regla general cogeremos c = 0,5.s Si escogemos un punzón biselado con una cierta inclinación, entonces c = s (aprox.) La potencia absorbida es: N = T.c / t donde t es el tiempo que tarda el punzón en completar un ciclo. A veces nos interesa hacer varios troquelados a la vez para no perder la posición el uno con los otros. Otras veces aprovechamos el descenso y fuerza de la prensa para realizar en diferentes zonas agujero y recorte. En el caso de cortes sucesivos en que se utilizan varios punzones a la vez se pueden utilizar matrices progresivas o escalonadas. En las matrices progresivas todos los punzones cortan al mismo tiempo por lo que la fuerza total es igual a la suma de las fuerzas que ejercen cada uno de ellos mientras que en la disposición escalonada y debido a su diferencia de altura, los punzones cortan uno a uno por lo que la fuerza total que se necesita en la prensa es la fuerza máxima de estos. © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p41Módulo 2. Tratamientos térmicos conformado de chapa en frío Matriz progresiva � Relación entre el punzón y la matriz en caso de agujero y recorte Debido a que al realizar el troquelado la chapa penetra en la matriz desgastando las aristas si no hay juego y como necesitamos una gran precisión en la pieza final, debemos dejar la holgura necesaria entre el punzón y la matriz. Sus dimensiones dependerán de que parte de la pieza recortamos. Si queremos hacer un agujero, entonces el punzón tendrá las medidas de este y la matriz debe ser mayor. Si es un recorte, entonces sus dimensiones serán las de la matriz y el punzón será menor. La holgura entre la matriz y el punzón es el juego. En la siguiente gráfica se presenta la relación entre punzón y matriz en función del espesor y el material de la chapa. © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p42 TECNOLOGÍA MECÁNICA Gráfico para hallar el juego entre matriz y punzón � Disposición de las figuras a cortar en la chapa Debemos disponer las figuras a cortar con el fin de maximizar el aprovechamiento el material y conseguir un buen rendimiento. � Bandas y avance de la chapa Partimos de unas bandas o tiras de chapa donde cortaremos las figuras. En primer lugar avanzamos la chapa hasta la posición del punzón, cortamos y volvemos a avanzar la chapa dejando un espacio suficiente entre posición y posición. A este espacio que avanzamos se le denomina paso. El paso p se define como la distancia entre dos posiciones homólogas de la pieza para dos posiciones consecutivas, Normalmente suele ser la longitud de la pieza más una separación. Por otro lado la tira de chapa debe ser más ancha que la pieza. Esta anchura es el ancho de la banda a . Exactamente, el ancho de la pieza más una cierta separación a cada lado. La separación está en función del espesor y nunca debe ser inferior a 1 mm. Generalmente si la separación es entre un lado de la pieza y el fin de la tira o un lado paralelo de la otra pieza está separación S = 2 . s donde s es el espesor de la chapa. Si la separación es entre una esquina o un lado curvo y el fin de la tira u otro lado de la otra pieza entonces S = s . © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p43434343Módulo 2. Tratamientos térmicos conformado de chapa en frío Métodos para marcar el paso Existen básicamente dos mecanismos para marcar el paso de la tira de chapa. Mediante un punzón auxiliar o mediante un mecanismo de balancín. Con el primer método realizamos una muesca en la banda con la longitud del paso. En el siguiente movimiento la chapa avanzará hasta un tope y por lo tanto el paso. El problema de este sistema es que disminuimos el rendimiento de material, pero es más preciso y muy utilizado. En el segundo sistema aprovechamos un agujero de la pieza o un agujero pequeño realizado mediante un punzón y un dispositivo tipo gatillo. El gatillo o balancín detiene la chapa tras avanzar el paso ya que choca con la pared del agujero y se bloquea. Para un nuevo avance desbloqueamos para dejar pasar la chapa, avanzamos y volvemos a bloquear para parar la chapa. Paso mediante punzón auxiliar Paso con mecanismo de balancín © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p44 TECNOLOGÍA MECÁNICA � Rendimiento de material El rendimiento es la relación entre la chapa gastada y el número de piezas realizadas. Lo calculamos para un sólo paso ya que será igual en toda la banda. η(%) =( Spieza / Sutilizada ) . 100 Donde: Spieza es la superficie de la pieza Sutilizada = p . a donde p es el paso y a es el ancho de la banda Para que el rendimiento aumente, es decir que la cantidad de chapa residual disminuya podemos disponer las figuras en la chapa según diferentes disposiciones según la forma o utilizando diferen- tes punzones dependiendo de la importancia de la serie. � Disposiciones según la forma � Disposición normal Cuando las piezas se pueden inscribir en un rectángulo, esta es la mejor organización de las figuras. Consiste en colocarlas unas tras otras sin girarlas. � Disposición oblicua Cuando las piezas pueden inscribirse en un triángulo rectángulo, la mejor organización es una confi- guración oblicua, es decir, las piezas giradas. Si la pieza queda inscrita en un triángulo rectángulo de ca- tetos iguales entoncesse gira la pieza 45º. © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p45Módulo 2. Tratamientos térmicos conformado de chapa en frío � Disposición invertida Consiste en realizar una serie de piezas en posición normal en un sentido y después realizar el corte en sentido opuesto. Sólo se utiliza un punzón por operación. � Disposiciones según la importancia de la serie. � Disposición simple Cuando las series son pequeñas no compensa duplicar o multiplicar el número de útiles. Por lo tanto se utilizará un sólo punzón por operación. � Disposición múltiple Para series medianas y grandes y para mejorar el aprovechamiento del material se construye un útil de punzonado capaz de cortar varias piezas a la vez. Por ello se habla en estos casos de juegos de punzones. En el esquema una disposición de tres punzones al tresbolillo. © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p46 TECNOLOGÍA MECÁNICA � Posición del mango. Centro de presiones Conocida la disposición de los punzones en el portapunzones debemos situar el mango en el centro de presiones para evitar que existan momentos de flexión que produzcan la deformación del conjunto o aparezcan fuerzas innecesarias. Escogemos un punto del punzón y a continuación calculamos los momentos respecto de este. La suma de momentos de cada una de las fuerzas debe ser igual a la fuerza resultante por la distancia a ese punto. Esta distancia situará el centro de presiones. Momentos respecto de A F es la fuerza de troquelado F = p . s . σt . k p = perímetro recortado s = espesor de la chapa σt = resistencia a la cortadura k = coeficiente de seguridad (1,1) © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p47Módulo 2. Tratamientos térmicos conformado de chapa en frío Calculamos el centro de presiones en x: En x: MAx = Ft . xt = F1 .x1 + F2 .x2+ F3 .x3+ F4 .x4+ F5 .x5+ F6 .x6 + F7 .x7 xt = (F1 .x1 + F2 .x2+ F3 .x3+ F4 .x4+ F5 .x5+ F6 .x6 + F7 .x7) / Ft xt = s. σt . k (l1 .x1 + l2 .x2+ l3 .x3+ l4 .x4+ l5 .x5+ l6 .x6 + l7 .x7) / s. σt . k . p xt = (l1 .x1 + l2 .x2+ l3 .x3+ l4 .x4+ l5 .x5+ l6 .x6 + l7 .x7) / p Calculamos el centro de presiones en y: En x: MAy = Ft . yt = F1 .y1 + F2 .y2+ F3 .y3+ F4 .y4+ F5 .y5+ F6 .y6 + F7 .y7 yt = (F1 .y1 + F2 .y2+ F3 .y3+ F4 .y4+ F5 .y5+ F6 .y6 + F7 .y7) / Ft yt = s. σt . k (l1 .y1 + l2 .y2+ l3 .y3+ l4 .y4+ l5 .y5+ l6 .y6 + l7 .y7) / s. σt . k . p yt = (l1 .y1 + l2 .y2+ l3 .y3+ l4 .y4+ l5 .y5+ l6 .y6 + l7 .y7) / p Donde l son los perímetros de corte de los diferentes tramos y (x,y) son las coordenadas respecto al punto A. Para conocer donde está situado el centro de gravedad de cada uno de los tramos nos podemos ayudar con esta tabla: Centro de gravedad o de presiones para diferentes formas de útiles de corte. � Costes del troquelado El troquelado es muchas veces el método más económico, pero el principal problema es la amortización del útil de corte, la maquinaria y que existe un material de desperdicio. Es por ello que muchas veces sólo es rentable para grandes series. Con los métodos modernos de software de aprovechamiento de chapa, hoy en dia pueden troquelarse series más pequeñas de forma rentable. Los costes se pueden calcular: © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p48 TECNOLOGÍA MECÁNICA Ct = Cmat + Cútil + Cmáq Donde Cmat = Costes de las chapas (incluido el residuo) Cútil = Costes de amortización de los útiles Cmáq = Costes de la maquinaria y mano de obra � Ejemplo 1 Se ha de fabricar, por troquelado la pieza indicada en el croquis adjunto. El material de la chapa es acero inoxidable recocido de 2 mm de grosor. El paso se asegura mediante un mecanismo de balancín. Se solicita: � a) Suponiendo que el recorte del agujero es desperdicio, calcular el rendimiento de material para una posición normal JJJ y para la posición de máximo rendimiento utilizando el diseño más compacto de la placa matriz para dos punzones. Hacer el croquis con las medidas del ancho de la banda y del paso para ambas posiciones. Para el caso de posición de los punzones normal JJJ: � b) Represente esquemática y gráficamente como estarían dispuestos los dos punzones indicando el avance de la chapa y las medidas reales de los punzones. � c) Calcular la fuerza de corte necesaria si la matriz es progresiva y la posición del centro de presiones para este caso respecto al punto A de la banda de chapa (más cercano a la primera posición de troquelado). © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p49Módulo 2. Tratamientos térmicos conformado de chapa en frío Resolución El problema se realiza en todos los apartados para un solo juego de punzones que son dos punzones, uno para realizar el agujero y otro para el recorte. � Croquis de la diferentes posiciones Posición normal (JJJ) © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p50 TECNOLOGÍA MECÁNICA Posición de máximo rendimiento Rendimiento de material 100* Su Sp � = S pieza = 40*75 + 30*5 + 40*20 + 80*20 - π*10^2/2 = 5392,74 mm2 1. caso a. Posición normal (JJJ) η = 5392,74/11232 = 48% 2. caso b. Posición máx rendimiento η = 5392,74/9043,9 = 59% Queda claro que en la segunda posición aprovechamos mejor la chapa para un solo juego de punzones. � Disposición y medidas de los punzones El juego para el caso de acero inoxidable y espesor de chapa de 2 mm. © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p51Módulo 2. Tratamientos térmicos conformado de chapa en frío � Fuerzas de corte y centro de presiones Fuerzas de corte (sin coeficiente de seguridad). Fc = σt * per * e σt = 52 Kg / mm2 (acero inoxidable recocido) e = 2 mm per = 100 + 100 + 40 +20 + 20 + 50 + 10 + 80 + 40 + 20 + π*10 = 511,4 mm Fc = 520 * 2 * 511,4 = 531,856 kN Centro de presiones En x: © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p52 TECNOLOGÍA MECÁNICA Σ l*s = 77161,07 per = 511,4 cdpx = 77161,07 / 511,4 = 150,88 mm En y: Σ l*s = 20478,2 per = 511,4 cdpy = 20478,2 / 511,4 = 40,04 mm El alumno puede practicar realizando el mismo ejercicio para dos juegos de punzones. � Ejemplo 2 Se quiere obtener por troquelado la pieza de chapa de acero al carbono suave C.25.K, recocido del croquis 40x40x10 mm. y 2 mm. de grosor, con una matriz de un solo punzón que recorta la figura. El útil dispone del sistema de posicionado y centrado de balancín. Se pide: � 1. Considerando los márgenes adecuados por tener una salida continua y ligada del recorte, determine y dibuje la posición relativa del punzón y la tira de material que comporte mayor rendimiento (%) del material empleado, que se ha de calcular. Compare este rendimiento con el de la posición "Normal : LLLLL...". � 2. Determine la fuerza de corte necesaria y la fuerza de la prensa suponiendo que la matriz tiene un prensachapas. � 3. Determine (croquis) las medidas de la planta del punzó y de la placa matriz, considerando el juego adecuado. � 4. Determine la posición del c.d.p. (centro de presiones), respecto al extremo de la pieza. � 5. Determine - dibujando el croquis - el rendimiento del material para una hipotética disposición capiculada (dos punzones), para realizar una serie de piezas importante. © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p53Módulo 2. Tratamientos térmicos conformado de chapa en frío � 6. Determine gráficamente el nuevo c.d.p. (Cotas sobre el croquis anterior). � 7. Determine a partir de que serie de piezas mínima es rentable la construcción de una matriz de dos punzones respecto a una simple LLL sabiendo que: El coste de la matriz "simple" (1): 500.000,-pts. , incluidos gastos de mantenimento. Duración o vida de la matriz: indefinida, al menos 2.000.000 de piezas. Coste horario de la prensa necesaria: 3900 pts/h. El coste de la matriz "doble" (2): 750.000,-Pts. incluidos gastos de mantenimento. Duración o vida de la matriz: indefinida, al menos 2.000.000 de golpes (4.000.000 de piezas) Coste horario de la prensa necesaria (doble fuerza que la 1): 4500 pts/h. Tiempos de ciclo:1 seg para ambas matrices. Precio delcoste del material:150 pts/kg. δM=7,8 gr/cm3 . CROQUIS DE LA PIEZA (mm) Resolución 1. Posición normal “LLLL” Cálculo del ancho de la banda y separaciones © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p54 TECNOLOGÍA MECÁNICA � Ancho de banda: a = L+2* s L: Longitud vertical de la pieza. s: Separación entre contorno de piezas y borde de la plancha. a = 40 + 2* 4 = 48 mm s = s1 = s2 = 2 * e = 2*2 = 4 mm � Paso - Distancia entre troquelados sucesivos: p = 40 + 4 = 44 mm � Rendimiento de material: 100* Su Sp � = Sp : área de la pieza = l * h = 40 * 10 + 30 * 10 = 700 mm2 Su: área a utilizar = p * a = 44 *48 = 2112 mm2 100* 2112 700 � = = 33 % © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p55Módulo 2. Tratamientos térmicos conformado de chapa en frío Posición oblicua � Ancho de banda S1= 2 * e = 4 mm S2= 1 * e = 2 mm 222 40•24040=L mm=+ (Hipotenusa = 2 * Cateto) a = + =40 2 2 2 6057· · . mm � Paso (Distancia entre troquelados sucesivos) p S= +2 10 1·( ) 8.1914•2p == mm � Rendimiento η = S S p u ·100 donde: Sp Área de la pieza = l * h Su Área a utilizar = p * a Sp = 40·10+30·10=700 mm2 Su =1199 mm2 %58100• 1199 700 ==η El rendimiento es mejor en esta posición. © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p56 TECNOLOGÍA MECÁNICA 2. Si la matriz tiene prensachapas, en el momento del corte, cuando el punzón se retira la chapa tiende a ir en el sentido de este, por lo tanto el prensachapas ejerce una fuerza contraria. Para a evitarlo, la Fc se incrementa un 20%. En la tabla interpolando el acero 0.25% y recocido encontramos la resistencia σC. σ c F A = donde: A es el área recortada σ c Kp mm= + = 32 35 2 335 2. / Ya que en tablas para acero 0,20%, σC = 32 Kg/ mm2 y para acero 0,30 %, σC = 35 Kg/ mm2 Ft = P ·e· σC donde: P perímetro P = 40+40+10+10+30+30 = 160 mm Ft= 160·2·33.5 = 10720 Kp = 107 KN FPR= Ft + Fprensachapas = 1,2 Ft Fuerza de la Prensa FPR= 10720 · 1.20 = 12864 Kp = 13 Tn = 130 KN 3. Para hallar la medida del punzón y la matriz debemos consultar el gráfico que relaciona el juego entre el punzón y la matriz, según el tipo de acero y el espesor de la chapa. Juego = 0,12 mm (este juego es el valor total es decir (D – d ) ) Debido a que realizamos un recorte la matriz tendrá las dimensiones de la pieza y el punzón será menor. Croquis y medidas del punzón y la placa matriz 4. Centro de presiones: Lugar a colocar el mango de la placa porta punzón. El eje del mango ha de coincidir con la posición de la resultante de los diversos esfuerzos de corte. © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p57Módulo 2. Tratamientos térmicos conformado de chapa en frío En x: x = (40*0 + 10*5+30*10+40*20+30*25+10*40)/160 cdpx = 2300 / 160 = 14,38 mm En y: y = ( 40*20 + 10*40 + 30*25 + 40*0 + 30*10 + 10*5)/160 cdpy = 2300 / 160 = 14,38 mm 5. Posición “Capiculada” utilizando dos punzones. p = L + s1 = 40+ 4 = 44 mm S1 = 2 * e = 4 mm a = L1 + L2 + s1 + 2 *s2 = 40 +10 + 12 = 62 mm S2 = 2 * e = 4 mm Su = a * p = 2728 mm2 Sp= 2 * 700 = 1400 mm2 (Dos Punzones por lo tanto Dos piezas) 51100• 2728 1400 ==η % Menor rendimiento que en la posición oblícua, no siempre los punzones capiculados ofrecen el mayor rendimiento, depende de la geometría de la pieza. p s1 s2 a 55 A) Punzones con condiciones de corte poco óptimas B) Punzones separados la máxima distancia L1 L2 © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p58 TECNOLOGÍA MECÁNICA 6. C d g para dos punzones Coordenadas respecto del punto C del cdg cdg x = 50 mm cdg y = -27 mm 7. Número de piezas mínimo. Esquema matriz 1. (paso p= 44mm./,ancho de banda a= 48mm.) Material necesario por pieza: p*a*s*δM = 4,4*4,8*0,2*7,8 = 32,94gr. Coste CM = 0,03294 * 150 = 4,94 pts/p. Coste CM = 4,94 * n Costes proceso CPR = n * 1seg/pieza * 1h/3600seg * 3900 = 1,083 * n Costes de amortización de la matriz CAM = 500000 pts CT.1 = CPR + CAM + CM= 1,083 n + 500000 + 4,94 n = 500000 + 6,023 n Esquema matriz 2. (paso p= 44mm./,ancho de banda a= 62mm.) Material necesario por 2 piezas: p*a*s*δM = 4,4*6,2*0,2*7,8 = 42,55gr. Coste CM = 0,04255 * 150 = 6,38 pts/ 2 piezas = 3,19 pts/p. Coste CM = 3,19 * n Costes proceso CPR = n * 1seg/2 piezas * 1h/3600seg * 4500 = 0,625 * n Costes de amortización de la matriz CAM = 750000 pts CT.1 = CPR + CAM + CM= 0,625 n + 750000 + 3,19 n = 750000 + 3,815 n Condición del problema CT2≤ CT1 750000 + 3,815 n ≤ 500000 + 6,023 n Nº de piezas mínimo = 113225 piezas 0 :�(�7� ����� � Útiles de embutición Operación mediante la cual se transforma una lámina plana en una pieza cóncava. Para ello se emplean prensas equipadas con moldes o estampas (punzón y matriz). Estos útiles son de aceros templados y rectificados F-552 (según IHA), aceros moldeados a manganeso o bronces al aluminio. En la embutición se deben evitar cantos vivos que cortarían la chapa en lugar de embutirla. En teoría no se debe alterar el espesor de la chapa en ningún punto. © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p59Módulo 2. Tratamientos térmicos conformado de chapa en frío Hemos de intentar para ello que el material sea lo más dúctil y maleable posible, por ello se procede en algunos casos a recocidos previos y calentamientos finales para eliminar las tensiones internas. El útil de embutición consta de los siguientes elementos: 1. Punzón 2. Prensachapas 3. Chapa 4. Matriz 5. Extractor � En embutición debe existir un juego entre el punzón y la matriz Una aproximación que podría realizarse sería: Para chapas de acero D = d + 2,45 s Para chapas de aleaciones ligeras D = d + 2,25 s El mínimo juego sería de D = d + 2 s . Normalmente el valor del juego se deduce empíricamente. Un ejemplo de juego sería el de la embutición para acero dulce deducida empíricamente. Espesor de la chapa (mm) Juego (D – d) (mm) 0,5 a 1,25 0,1 1,25 a 2,25 0,2 2,25 a 3,25 0,3 3,25 a 4,25 0,4 4,25 a 5,25 0,45 5,25 a 6,5 0,5 6,5 a 7,5 0,6 7,5 a 8,5 0,65 8,5 a 9,5 0,75 9,5 a 10,5 0,8 © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p60 TECNOLOGÍA MECÁNICA � En embutición debe evitarse el corte de la chapa � Todas las superficies de contacto deben ser redondeadas. El radio de la matriz estará entre los límites 0<r< (D-d)/2. El radio del punzón será 3r<R<5r. Se deducirá empíricamente. � El rozamiento debe ser mínimo por lo que las superficies deben estar muy bien pulidas y lubricadas con aceites, polvo de jabón... � En embuticiones profundas se requieren varias etapas o embuticiones previas y por lo tanto también varios punzones y matrices. � Diámetro del disco a embutir Para realizar la pieza embutida debemos partir de un recorte. Normalmente se parte de un disco de chapa. En teoría se puede considerar el disco de chapa inicial de igual superficie a la de la pieza final resultante. En las siguientes tablas se muestran como hallar los diámetros primitivos de algunas formas. © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p61Módulo 2. Tratamientos térmicos conformado de chapa en frío � Esfuerzo necesario para la embutición Normalmente la embutición suele hacerse en varias etapas para evitar el corte de la chapa. Para saber el número de etapas necesarias recurrimos a la siguiente tabla: MATERIAL K1 K2 o Kn Chapa de acero 0,56 0,75 Latón 0,52 0,75 Cobre 0,50 0,75 Aluminio 0,55 0,80 Acero inoxidable 0,60 0,80 Cinc 0,75 0,90 Partimos del diámetro del disco inicial Di y avanzamos hasta diámetro final de la pieza Df. D1 es el primer diámetro al cual se puede llegar. D1 = Di . K1 D2 = D1. K2 D3 = D2. K2 ..... hasta llegar a un valor inferior a Df.© los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p62TECNOLOGÍA MECÁNICA A partir de los diámetros anteriores e igualando áreas se obtienen las diferentes alturas para la diferentes embuticiones. La fuerza máxima para no agujerear la pieza es: Fe = Perímetro . espesorchapa . σc . m Y σc es la resistencia a la cortadura: MATERIALES Res. a la rotura en Kg/mm2 σr Res. a la cortadura en Kg/mm2 σc Laminado Recocido Laminado Recocido Acero lam. 0,1 % C 40 31 32 25 Acero lam. 0,2 % C 50 40 40 32 Acero lam. 0,3 % C 60 44 48 35 Acero lam. inoxidable 75 65 60 52 Acero lam. al silicio 70 56 56 45 Aluminio 16 - 18 7,5 - 9 13 - 15 6 - 7 Anticorodal 32 - 36 11 - 13 25 - 29 9 - 10 Alpaca laminada 56 - 58 35 - 45 45 - 46 28 - 36 Bronce 50 - 75 40 - 50 40 - 60 32 - 40 Cinc 25 15 20 12 Cobre 31 - 37 22 - 27 25 - 30 18 - 22 Duraluminio 38 - 45 16 - 20 30 - 36 13 - 16 Estaño - 4 - 5 - 3 - 4 Latón 44 - 50 28 - 37 35 - 40 22 - 30 Plata laminada 29 29 23,5 23,5 Plomo - 2,5 - 4 - 2 - 3 σc = 0,8 σr Donde m es 1 en todas las embuticiones excepto en la última embutición donde (d/D=Kn) = (m=1) y (d/D = 1) = (m=0) y d/Dn sigue una progresión lineal. Por lo que hallaremos el valor de m por interpolación lineal. Como ejemplo para el caso de una embutición de acero K1=0,56: Valores de m d/D m 0,56 1 0,60 0,86 0,70 0,72 0,75 0,60 0,80 0,50 1 0 Sería cuestión de calcular d/D en la etapa final (imaginemos que fuera 0,7) y obtendríamos m (sería para d/D = 0,7 el valor m=0,72). Luego sumamos las fuerzas de embutición de todas las etapas. El trabajo de embutición será la suma de todos trabajos. Wemb = Femb . h Donde h = alturas parciales de las diferentes etapas. En la pieza final se observa © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p63Módulo 2. Tratamientos térmicos conformado de chapa en frío Al principio más fuerza por deformación y después más fuerza por rozamiento. � Ejemplo Calcular el número de embuticiones necesarias para embutir una pieza como la del croquis a partir de un disco de φ 62 mm. Calcular también la fuerza necesaria en cada una y el trabajo si la velocidad de producción es de 1 embutición por segundo. Resultats � Número de embuticiones Si es necesaria una sola embutición → K1 = 0,56 d ------ = 0,56 D como d (diámetro final de la pieza) = 22 mm y D (diámetro inicial del disco) = 62 mm d = 22 __________ = 0,35 < 0,56 se necesita más de una embutición D = 62 © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p64 TECNOLOGÍA MECÁNICA � 1ª embutición 62 · K1 = 62 · 0,56 = 34,72 mm → d1 = 34,72 mm (Diámetro final en primera embutición) Se halla h1: π π ____ · 62 2 = ____ · 34,72 2 + π · 34,72 · h1 4 4 h1 = 19 mm (Altura en primera embutición) � 2ª embutición 34,72 · K1 = 34,72 · 0,75 = 26,04 mm → d2 = 26,04 mm Se halla h2: π π ____ · 62 2 = ____ · 26,04 2 + π · 26,04 · h2 4 4 h2 = 30,4 mm © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p65Módulo 2. Tratamientos térmicos conformado de chapa en frío � 3ª embutición (final) 26,04 · K1 = 26,04 · 0,75 = 19,53 mm → d3 = 19,53 mm < 22 mm (diámetro final) Se halla h3 para d3 = 22 mm: π π ____ · 62 2 = ____ · 22 2 + π · 22 · h3 4 4 h3 = 38,2 mm Son necesarias tres embuticiones. Fuerza necesaria Donde el perímetro de embutición es: per = π . D (circunferencia) � 1ª embutición_ (m = 1) σc (acero 0,1 % C, recocido) = 25 Kg/mm2 e =1,5 mm Fe1 = 34,72 · π · 1,5 · 25 · 1 = 4090 kg → 40900 N We1 = 40900 · h1 = 40900 · 0,019 = 777 W (si 1 embutición/seg) � 2ª embutición_ (m = 1) Fe2 = 26,04 · π · 1,5 · 25 · 1 = 3067 kg → 30670 N We2 = 30670 · h2 = 30670 · (0,0304 – 0,019) = 350 W (si 1 embutición/seg) Fe = per · e · σc · m © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p66 TECNOLOGÍA MECÁNICA � 3ª embutición_ (m = ?) 1 – 0,75 1 – 0,84 ___________ = ___________ → x = 0,64 → m = 0,64 1 – 0 x - 0 Fe3 = 22 · π · 1,5 · 25 · 0,64 = 1658 kg → 16580 N We3 = 16580 · (0,0382 – 0,0304) = 129 W (si 1 embutición/segundo) Si sólo utilizásemos una prensa, la potencia necesaria en la prensa será la máxima de las calculadas. 0 ; �(� ������ Es un embutido al torno. Se utiliza para la embutición de pequeñas series a bajo costo. Se realiza la deformación de un disco de chapa sobre un molde giratorio aplicando una presión localizada mediante una herramienta. d/D = 0,75 → m = 1 · · · · 22/26,04 = 0,84 → x · · · · 1 → 0 © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p67Módulo 2. Tratamientos térmicos conformado de chapa en frío 0 < �# ����������������������������8���� � � Deformación � Estampado por impacto Se utiliza para embuticiones poco profundas de piezas grandes. En vez de prensar se impacta con la estampa sobre la chapa por lo que la prensa puede ser menos potente que la que se necesitaría para embutir prensando. � Conformación por explosión Se deforma una chapa contra una matriz por la presión producida por una carga explosiva como la amonita en un líquido. Se utiliza para pequeñas series. � Magnetohechurado Es un proceso similar al anterior pero en vez de carga explosiva utilizamos impulsos electromagnéticos. � Conformado electrohidráulico Una descarga eléctrica empuja a la chapa contra la matriz mediante un medio fluido. � Estampación con matriz flexible e hidroconformado La estampación en matriz flexible es un proceso de conformación de chapas metálicas en las que hay una sola matriz rígida y una membrana flexible bajo la acción de un líquido a presión. Al empujar con una fuerza uniforme la membrana flexible, esta, adapta la chapa contra la matriz rígida y forma la pieza. Al descomprimir el líquido la membrana vuelve a su posición inicial y se retira la pieza. Con este método se consiguen tolerancias estrechas y bajos costes para series menores a 10000 piezas. Para series más largas en que se requiera un punzón se utiliza el hidroconformado. En este sistema no hay membrana y la presión hidrostática se aplica sobre la misma chapa. © los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000. p68 TECNOLOGÍA MECÁNICA � Procesos de corte � Oxicorte Aplicable en metales oxidables. Consiste en calentar el metal con un soplete oxiacetilénico y una vez caliente a 1000°C dirigir un chorro de oxígeno sobre la línea de corte. Las chapas pueden ser de hasta 150 mm. � Corte con plasma Aplicable en metales conductores. Cortamos una chapa de hasta 150 mm calentando un gas mediante un arco eléctrico hasta su ionización. A partir de ese momento los gases se dirigen a gran velocidad contra el material que se funde. � Corte con láser Consiste en transformar la electricidad en un haz de luz de alta coherencia que funde y vaporiza el material. Podemos cortar chapa de hasta 20 mm. � Corte con chorro de agua a presión Consiste en impulsar agua con abrasivos a una presión de 4000 bar y a través de un orificio de entre 0,1 y 0,5 mm de diámetro contra la chapa de espesores elevados para cortarla. 3 �(=#2%� &!� (�!#2&> �'�(!�(2��#!1#"�'$#�$(��?'.' En las últimas décadas se ha evolucionado hacia sistemas “justo a tiempo” más completos y flexibles en que se intenta que sean económicas incluso las series más cortas. Se intenta integrar todos los trabajos: cizallado, troquelado, doblado, soldado... de chapa en un sistema único utilizando técnicas flexibles y flujos de información y materiales automáticos. El operario ya no se dedica al transporte de la chapa sino que prepara la máquina mientras sistemas de transporte como
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