TEMA 6

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TEMA 6
PROCESOS DE FORMADO DE HOJAS METÁLICAS
Introducción
Los productos fabricados con hojas metálicas incluyen una amplia gama de objetos de consumo e industriales, como latas para bebidas, artículos de cocina, escritorios metálicos, aparatos electrodomésticos, carrocerías automotrices, tractocamiones y fuselajes para aviones.
El formado de hojas data del año 5000 a.C., cuando se fabricaron utensilios domésticos y joyería mediante el martillado y estampado de oro, plata y cobre
Introducción
El acero al bajo carbono es la hoja metálica de mayor uso por su bajo costo y sus características de resistencia y formabilidad.
El aluminio es el material que más se utiliza al transformar las hojas metálicas en latas para bebidas, empaques, utensilios de cocina y aplicaciones para resistencia a la corrosión.
Introducción
Los materiales metálicos que más se aplican en aeronaves y naves espaciales son el aluminio y el titanio, aunque han sido reemplazados de manera creciente con materiales compósitos.
Comenzaremos el capítulo describiendo los métodos por medio de los cuales se cortan piezas en bruto de grandes rollos de hojas metálicas, que luego se procesan para darles las formas deseadas mediante una amplia variedad de métodos.
Operaciones de Corte
Se realiza por una acción de cizalla entre dos bordes afilados de corte, esquematizados en 4 pasos (ver figura). 
El borde superior de corte (el punzón) se mueve hacia abajo sobrepasando el borde estacionario inferior de corte (el troquel).
Cuando el punzón empieza a empujar el trabajo, ocurre una deformación plástica en las superficies de la lámina.
Operaciones de Corte
Conforme el punzón se mueve hacia abajo, ocurre la penetración, en la cual comprime la lámina y corta el metal. Esta zona de penetración es generalmente una tercera parte del espesor de la lámina.
A medida que el punzón continúa su viaje dentro del trabajo, se inicia la fractura en éste entre los dos bordes de corte. Si el espacio entre el punzón y el troquel es correcto, las dos líneas de fractura se encuentran y el resultado es una separación limpia en dos piezas- 
Operaciones de Corte
Los bordes cizallados de la lámina tienen formas características. 
Encima de la superficie de corte hay una región que se llama redondeado, depresión hecha por el punzón en el trabajo antes de empezar el corte.
La región relativamente lisa llamada bruñido. Ésta resulta de la penetración del punzón en el material antes de empezar la fractura 
Operaciones de Corte
Debajo del bruñido está la zona de fractura, una superficie relativamente tosca del borde de corte.
Por último, al fondo del borde está la rebaba, un filo causado por la elongación del metal durante la separación final de las dos piezas
Cizallado, Punzonado y Perforado 
Cizallado. Es la operación de corte de una lámina de metal a lo largo de una línea recta entre dos bordes de corte. Se usa típicamente para reducir grandes láminas a secciones más pequeñas para operaciones posteriores de prensado. La cuchilla superior de la cizalla de potencia está frecuentemente sesgada, como se muestra en la figura, para reducir la fuerza requerida de corte.
Cizallado, Punzonado y Perforado 
Punzonado. Implica el corte de una lámina de metal a lo largo de una línea cerrada en un solo paso para separar la pieza del material circundante. La pieza que se corta es el producto deseado en la operación y se designa como la parte o pieza deseada.
Cizallado, Punzonado y Perforado 
Perforado. El perforado es muy similar al punzonado, excepto porque la pieza que se corta se desecha y se llama pedacería. El material remanente es la pieza deseada. 
Ingeniería del Corte de Láminas
Los parámetros importantes en el corte de láminas metálicas son: 
el espacio entre el punzón y el troquel, 
el espesor del material, 
el tipo de metal y su resistencia, y 
la longitud del corte. 
Ingeniería del Corte de Láminas
Espacio (c). Es la distancia entre el punzón y el troquel. Los espacios típicos en el prensado convencional fluctúan entre 4 y 8% del espesor (t) de la lámina metálica.
Si el espacio es demasiado pequeño, las líneas de fractura tienden a pasar una sobre otra, causando un doble bruñido y requiriendo mayor fuerza de corte. Si es demasiado grande, los bordes de corte pellizcan el metal y da por resultado una rebaba excesiva.
Ingeniería del Corte de Láminas
El espacio correcto depende del tipo de lámina y su espesor y se calcula:
									c = Act
c = espacio, mm (in); Ac = tolerancia del espacio; t = espesor del material, mm (in).
La tolerancia Ac se determina de acuerdo con el tipo de material. Los materiales se clasifican por conveniencia en tres grupos y cada grupo tiene un valor de tolerancia.
Ingeniería del Corte de Láminas
Ingeniería del Corte de Láminas
La abertura del troquel debe ser siempre más grande que el tamaño del punzón. La adición del valor del espacio al tamaño del troquel o su resta del tamaño del punzón depende de que la pieza que se corta sea un disco o pedacería.
Ingeniería del Corte de Láminas
El tamaño del punzón y del troquel para una forma o pieza redonda de diámetro Db se determina:
Diámetro del punzón de corte de formas = Db – 2c
Diámetro del troquel de corte de formas = Db 
Los tamaños del troquel y del punzón para un agujero redondo de diámetro Dh se determinan:
Diámetro del punzón para corte de agujeros = Dh 
Diámetro del troquel para corte de agujeros = Dh + 2c 
Ingeniería del Corte de Láminas
Fuerzas de Corte. Es importante estimar la fuerza de corte porque ésta determina el tamaño (tonelaje) de la prensa necesaria. La fuerza de corte F en el trabajo de láminas puede determinarse por:
								F = S.t.L 
donde S = resistencia al corte de la lámina, MPa (lb/in2 ); t = espesor del material, mm (in) y L = longitud del borde de corte, mm (in).
Ingeniería del Corte de Láminas
En el punzonado, perforado, rasurado y operaciones similares, L es la longitud del perímetro de la forma o agujero que se corta.
Cuando no se conoce el valor de la resistencia al corte, puede usarse la fórmula:
								F = = 0,7.TS.t .L
donde TS = resistencia última a la tensión, MPa (lb/in2 )
Problemas de Corte de Láminas
Se corta un disco de 150 mm de diámetro de una tira de acero de 3.2 mm de espesor, laminado en frío y de dureza media, cuya resistencia al corte es de 310 MPa. Determine: 
Los diámetros apropiados del punzón y del troquel, y 
La fuerza del punzonado.
Otras Operaciones de Corte de Láminas.
Corte en Trozos. Es una operación en el que las piezas se separan de una tira de lámina metálica cortando los troqueles opuestos de la pieza en secuencia, y cada corte produce una nueva pieza evitando desperdicios.
Otras Operaciones de Corte de Láminas.
Partición. Involucra el corte de una tira de lámina de metal por un punzón con dos bordes de corte que coinciden con los lados opuestos de la pieza, cuando los contornos de la pieza tienen forma irregular que impiden su empalme perfecto en la tira. La partición es menos eficiente que el corte en trozos debido a que produce algún material de desperdicio.
Otras Operaciones de Corte de Láminas.
Ranurado, Perforado Múltiple y Muescado. El término ranurado se usa algunas veces para la operación de punzonado en la cual se corta un agujero rectangular o alargado. El perforado múltiple involucra la perforación simultánea de varios agujeros en una lámina de metal. El patrón de agujeros tiene generalmente propósitos ya sean decorativos o para permitir el paso de luz, gases o fluidos u otros.
Otras Operaciones de Corte de Láminas.
Para obtener el contorno deseado de una forma, se cortan frecuentemente porciones de lámina por muescado o semimuescado. 
El muescado es el corte de una porción del metal en un lado de la lámina o tira.
El semimuescado recorta una porción del metal del interior de la lámina. La diferencia con el perforado o ranurado es que crea parte del contorno de la pieza, mientras que el perforado y el ranurado genera agujerosen la forma o pieza.
Formas del Punzón y de la Matriz (dado)
Desechos de Cizallamiento
La cantidad de desecho (pérdida por recorte) generada en las operaciones de cizallado puede ser significativa y llegar hasta 30% en estampados grandes.
El desecho puede constituir un porcentaje importante del costo de la manufactura y se reduciría de modo sustancial mediante el arreglo eficiente de las formas en la hoja a cortar.
Se han desarrollado técnicas de diseño asistido por computadora para minimizar el desecho en las operaciones de cizallado.
Operaciones de Doblado
El doblado es una de las operaciones industriales de formado más comunes. 
Basta con echar un vistazo a la carrocería de un automóvil, un electrodoméstico, un clip para papel o un archivero para apreciar a cuántas partes se les dio forma mediante el doblado.
El doblado también proporciona rigidez a la pieza al aumentar su momento de inercia. 
Operaciones de Doblado
El doblado se define como la deformación del metal alrededor de un eje recto.
Durante la operación de doblado, el metal dentro del plano neutral se comprime, mientras que el metal por fuera del plano neutral se estira.
El metal se deforma plásticamente, así que el doblez toma una forma permanente al remover los esfuerzos que lo causaron produciendo poco o ningún cambio en el espesor de la lámina metálica.
Doblado en V y Doblado de Bordes
Las operaciones de doblado se realizan usando como herramienta de trabajo diversos tipos de punzones y troqueles. 
En el doblado en V, la lámina de metal se dobla entre un punzón y un troquel en forma de V. Los ángulos incluidos, que fluctúan desde los muy obtusos hasta los muy agudos, se pueden hacer con troqueles en forma de V.
Doblado en V y Doblado de Bordes
El doblado de bordes involucra una carga voladiza sobre la lámina de metal. Se usa una placa de presión que aplica una fuerza de sujeción Fh para sostener la base de la pieza contra el troquel, mientras el punzón fuerza la pieza volada para doblarla sobre el borde de un troquel. Se puede diseñar troqueles deslizantes más complicados para ángulos mayores de 90º. 
Doblado en V y Doblado de Bordes
Análisis de la Ingeniería del Doblado
t = espesor del metal, 
∝ = ángulo de doblado. 
∝ ´ = ángulo incluido , tal que ∝ + ∝ ´= 180º. 
R = radio del doblez (parte interna, no del eje neutral). 
W = ancho de la pieza
Análisis de la Ingeniería del Doblado
Tolerancia del Doblado. Si el radio del doblado es pequeño respecto al espesor del material, el metal tiende a estirarse durante el doblado, y es necesario estimar esta magnitud, de manera que la longitud de la pieza final pueda coincidir con la dimensión especificada. El problema es determinar la longitud del eje neutral antes del doblado, para tomar en cuenta el estirado de la sección doblada final. Esta longitud se llama tolerancia de doblado 
Análisis de la Ingeniería del Doblado
Análisis de la Ingeniería del Doblado
Recuperación Elástica. El estado de esfuerzos es extremadamente complejo en el doblado. Las curvas esfuerzo-deformación unitaria, tanto a tensión como a compresión, son recorridas completamente en los lados del doblez. 
Todos los materiales tienen un módulo finito de elasticidad, por lo que la deformación plástica siempre va seguida de alguna restitución elástica cuando se retira la carga, llamada recuperación elástica. 
Recuperación Elástica del Doblado
Análisis de la Ingeniería del Doblado
Problema de Doblado de Láminas
Se dobla una pieza de lámina de metal como se muestra en la figura. El metal tiene un módulo de elasticidad = 205x103 MPa, resistencia a la fluencia = 275 MPa y resistencia a la tensión = 450 MPa. Determine a) el tamaño inicial de la pieza y b) la fuerza de doblado, si se usa un troquel en V con una dimensión de abertura del troquel = 25 mm.
Otras Operaciones de Doblado
Formado en Prensas Plegadoras, de Cortina o Excéntricas. Las hojas o placas metálicas se pueden doblar fácilmente con simples soportes mediante una prensa plegadora. La máquina utiliza matrices largas en prensas mecánicas o hidráulicas. El herramental es simple, los movimientos sólo son hacia arriba y hacia abajo y se adaptan con facilidad a una amplia variedad de formas.
Otras Operaciones de Doblado
Los materiales para matrices que se trabajan en prensas plegadoras pueden variar desde madera dura (para materiales de baja resistencia y pequeños lotes de producción) hasta carburos para hojas de materiales fuertes y abrasivo. Para la mayoría de las aplicaciones, suelen utilizarse matrices de acero al carbono o de hierro gris
Otras Operaciones de Doblado
Doblado con Rodillos. En este proceso las placas se doblan mediante un juego de rodillos. Se pueden obtener diversas curvaturas al ajustar la distancia entre los tres rodillos. El proceso es flexible y se utiliza ampliamente con el propósito de doblar placas para aplicaciones como calderas, recipientes cilíndricos a presión y diversos miembros estructurales curvos.
Otras Operaciones de Doblado
Formado de Bridas, Doblez y Rebordeado. 
El formado de bridas es una operación en la cual el filo de la lámina de metal se doble en un ángulo de 90º para formar un borde. Se usa frecuentemente para reforzar o dar rigidez a la pieza de lámina metálica. 
Otras Operaciones de Doblado
El doblez involucra el doblado del borde de la lámina sobre sí misma en más de un paso de doblado. Esto se hace frecuentemente para eliminar el borde agudo de la pieza, a fin de incrementar la rigidez y mejorar su apariencia.
Otras Operaciones de Doblado
En el rebordeado, también llamado formado de molduras, los bordes de la pieza se producen en forma de rizo o rollo. Tanto esta operación como el doblez se hacen con fines de seguridad, resistencia y estética. Algunos ejemplos de productos en los cuales se usa el rebordeado incluyen bisagras, ollas, sartenes y cajas para relojes de bolsillo. Estos ejemplos demuestran que el rebordeado se puede ejecutar sobre ejes rectos o curvos.
Doblado y Formado de Tubos
El doblado y conformado de tubos y otras secciones huecas requiere herramental especial debido a la tendencia al pandeo y al plegado. 
El método más antiguo para doblar un tubo o una tubería consiste en rellenar su interior con partículas sueltas (comúnmente, arena) y después doblarlo sobre un soporte adecuado. La función del relleno es evitar que el tubo se pandee. 
Doblado y Formado de Tubos
Los tubos también se pueden rellenar con diversos mandriles flexibles internos, con el mismo propósito que la arena o fluidos. 
Debido a la menor tendencia al pandeo, un tubo relativamente grueso que se vaya a formar con un radio grande de doblado puede doblarse con seguridad sin el uso de rellenos o de insertos 
Embutido
Es una operación de formado de láminas metálicas que se usa para hacer piezas de forma acopada, de caja y otras formas huecas más complejas. 
Se realiza colocando una lámina de metal sobre la cavidad de una matriz y empujando el metal hacia la cavidad de éste con un punzón, como se muestra en la figura. 
 Las piezas comunes que se hacen por embutido son latas de bebidas, casquillos de municiones, lavabos, utensilios de cocina y piezas para carrocería de automóviles.
Mecánica del Embutido
Se embute un disco de diámetro Db dentro de un troquel por medio de un punzón de diámetro Dp. El punzón y el troquel deben tener un radio en las esquinas determinado por Rp y Rd. Si el punzón y el troquel tienen esquinas agudas (Rp y Rd = 0), se realizará una operación de perforado de un agujero en lugar de una operación de embutido. Los lados del punzón y del troquel están separados por un espacio C. 			C = 1,1t (espesor material)
Mecánica del Embutido
El punzón aplica una fuerza hacia abajo F para realizar la deformación del metal, y el sujetador de piezas o de formas aplica una fuerza de sujeción hacia abajo Fh , como se muestra en el diagrama.
Conforme el punzón se recorre hacia abajo, hasta su posición final, la pieza de trabajo experimentauna serie compleja de esfuerzos y deformaciones al tomar gradualmente la forma definida por el punzón y la cavidad del troquel.
Mecánica del Embutido
Durante esta etapa del proceso, la fricción y la compresión juegan papeles importantes en la brida de la pieza.
Para que el material de la brida se mueva hacia la apertura del troquel, debe superar la fricción entre la lámina de metal y las superficies del sujetador y del troquel.
Mecánica del Embutido
Para evitar las arrugas o pliegues de la lámina durante el embutido, es necesario mantener la placa de sujeción bajo el efecto de cierta fuerza.
Para mejorar el desempeño, se puede controlar la magnitud de dicha fuerza en función del recorrido del punzón.
Análisis de la Ingeniería del Embutido
Análisis de la Ingeniería del Embutido
Análisis de la Ingeniería del Embutido
En los casos en que el diseño de la pieza embutida exceda los límites de la relación de embutido, la reducción y la relación t/Db, la forma debe ser embutida en dos o más pasos, algunas veces con una operación de recocido entre ellos.
Problema de Embutido Profundo
Se usa una operación de embutido para formar un vaso cilíndrico con un diámetro interior de 75 mm y una altura de 50 mm. El diámetro de la forma inicial es de 138 mm y el espesor del material es de 2.4 mm. Con base en estos datos, ¿es factible la operación?
Análisis de la Ingeniería del Embutido
Análisis de la Ingeniería del Embutido
Es necesario notar que la ecuación anterior estima la fuerza máxima en la operación. 
La fuerza de embutido varía a través del movimiento hacia abajo del punzón, alcanzando usualmente su valor máximo a una tercera parte de la longitud de la carrera.
Análisis de la Ingeniería del Embutido
Fuerza de Sujeción. Es un factor importante en la operación de embutido. Como una primera aproximación, la presión de sujeción se puede fijar en un valor de 0.015 de la resistencia a la fluencia de la lámina. Este valor se multiplica por la porción del área de la forma inicial que será sostenida por el sujetador. En forma de ecuación.
Análisis de la Ingeniería del Embutido
Problema de Embutido Profundo
Para la operación de embutido del anterior ejemplo, determine 
fuerza de embutido y
 b) fuerza de sujeción, dado que la resistencia a la tensión de la lámina de metal (acero al bajo carbono) = 300 MPa y la resistencia a la fluencia = 175 MPa. El radio de la esquina del troquel = 6 mm
Embutido de Formas no Cilíndricas
La variedad de formas embutidas incluyen formas cuadradas, cajas rectangulares (lavabos), copas escalonadas, conos, copas con bases esféricas más que planas y formas curvas irregulares (como ocurre en los paneles de las carrocerías de automóviles).
Cada una de estas formas representa un problema técnico único en embutido, y existen tratados para este tipo de embutidos.
Defectos del Embutido
El embutido de una lámina, es mucho más complejo que el corte o el doblado y se presentan fallas como las siguientes:
Arrugamiento en la brida o pestaña. Consiste en una serie de pliegues que se forman radialmente en la brida, debido al pandeo por compresión
Defectos del Embutido
Arrugamiento en la pared. Si la brida arrugada se embute en el cilindro, estos pliegues aparecen en la pared vertical del cilindro.
Defectos del Embutido
Desgarramiento. Consiste en una grieta que se abre en la pared vertical, usualmente cerca de la base de la copa embutida, debido a altos esfuerzos a la tensión que causan adelgazamiento y rotura del metal en esta región. Este tipo de falla puede también ocurrir cuando el metal se estira sobre una esquina afilada del troquel
Defectos del Embutido
Orejeado. Ésta es la formación de irregularidades (llamadas orejas) en el borde superior de la pieza embutida, causada por anisotropía en la lámina de metal. Si el material es perfectamente isotrópico no se forman las orejas.
Defectos del Embutido
Rayados Superficiales. Pueden ocurrir rayaduras en la superficie de la pieza embutida si el punzón y el troquel no son lisos o si la lubricación es insuficiente. 
Herramental para el Equipo de Embutido
Los materiales más comunes para las herramientas y matrices empleados para el embutido profundo son los aceros herramienta y los hierros fundidos e incluyen matrices producidas de hierro dúctil hechos por el proceso de espuma perdida y forjado.
Por lo común, el equipo para el embutido profundo es una prensa hidráulica de doble acción o una prensa mecánica.
LATAS DE ALUMINIO PARA BEBIDAS