Procesos de Fabricación: Técnicas de Cambio de Forma

Procesos de Fabricación
Unidad III Procesos de Cambio de
Forma
3.1 Fundición, colado al alto vacío,
centrífuga y precisión.
Este proceso de dar forma al metal implica que
el material este liquido (fundido) y la existencia
de un molde con la forma que se desea adopte
el material.
El metal fundido se vacía en el molde y una vez
frio se saca de él, obteniendo el material con la
forma deseada.
El Modelo
• La fundición en arena requiere un modelo a
tamaño natural de madera, cristal, plástico y
metales que define la forma externa de la pieza
que se pretende reproducir y que formará la
cavidad interna en el molde.
• En lo que atañe a los materiales empleados para
la construcción del modelo, se puede emplear
desde madera o plásticos como el uretano y el
poliestireno expandido (EPS) hasta metales como
el aluminio o el hierro fundido.
El Molde
Los moldes, generalmente, se encuentran divididos en dos partes, la
parte superior denominada cope y la parte inferior denominada draga
que se corresponden a sendas partes del molde que es necesario
fabricar. Los moldes se pueden distinguir:
• Moldes de arena verde: estos moldes contienen arena húmeda.
• Moldes de arena fría: usa aglutinantes orgánicos e inorgánicos para
fortalecer el molde. Estos moldes no son cocidos en hornos y tienen
como ventaja que son más precisos dimensionalmente pero
también más caros que los moldes de arena verde.
• Moldes horneados: estos moldes no necesitan ser cocidos debido a
sus aglutinantes (mezcla de arena y resina). Las aleaciones
metálicas que típicamente se utilizan con estos moldes son el latón,
el hierro y el aluminio.
Procedimiento
• Compactación de la arena alrededor del
modelo en la caja de moldeo.
• Colocación del macho o corazones.
• Colada. Vertido del material fundido.
• Enfriamiento y solidificación.
• Desmolde.
• Desbarbado.
• Acabado y limpieza
Hierro colado o fundición.
• La principal diferencia entre acero y hierro colado, es
que el primero es plástico y forjable, mientras que el
segundo no es lo suficientemente plástico para forjarlo
a cualquier temperatura.
• El hierro colado o fundición, fundamentalmente es una
aleación a base de: hierro, silicio y carbono. El
contenido de carbono es más elevado que en los
aceros.
• Existen dos tipos de hierro colado o fundición:
– la fundición gris y
– la fundición blanca,
• El nombre lo reciben por el color característico en la
fractura de una pieza colada.
Fundición gris
• Es excelente para obtener piezas complicadas
de maquinaria, pues es muy fluido cuando se
halla fundido y llega con bastante facilidad a
todas las partes de un molde, además de ser
maquinable es duro y frágil.
Fundición blanca
• Es más frágil que la fundición gris que se emplea
principalmente para obtener el hierro maleable,
el cual se obtiene recociendo la fundición gris
para convertirla en un hierro más dúctil y tenaz.
• El hierro maleable, se emplea principalmente en
piezas automotrices, arados, tractores, debido a
su tenacidad y resistencia al choque.
• El acero y la fundición gris, son los dos materiales
a los que se les exige el mayor número de
propiedades.
Fundición centrífuga
• Es muy adecuada en la fabricación de piezas no
macizas, la parte coincidente con el eje de giro será
principalmente donde no se depositara el material.
• La fundición centrífuga es un método en el que
aprovecha la fuerza centrífuga que se puede generar al
hacer girar el metal en torno de un eje.
• Aunque hay diferentes métodos para este tipo de
colada, todos se basan el un molde girando a una alta
velocidad.
• Existen tres tipos de fundición centrífuga:
– Fundición centrífuga real
– Fundición semicentrífuga
– Centrifugado
Fundición centrífuga real
• En fundición centrífuga, un molde permanente se
hace girar alrededor de su eje a gran velocidad
(300 a 3000 rpm), cuando el metal fundido se
vierte.
• El metal fundido es centrifugamente arrojado
hacia el interior de la pared del molde, donde se
solidifica después de la refrigeración.
• Es el procedimiento utilizado para la fabricación
de tubos sin costura, camisas y objetos
simétricos, los moldes se llenan del material
fundido de manera uniforme y se hace girar al
molde sobre su eje de rotación.
• El colado por lo general es de grano fino con un
diámetro exterior resistente a la corrosión
atmosférica, una situación típica con tuberías. El
diámetro interior tiene más impurezas e
inclusiones, que pueden ser maquinados.
• Sólo formas cilíndricas se pueden producir con
este proceso. Con límites hasta de 3 metros (10
pies) de diámetro y 15 m (50 pies) de longitud.
• El Grosor de la pared puede ser de 2,5 mm a 125
mm (0,1 - 5,0).
• Las tolerancias que puede aceptar el OD puede
ser tan buena como la de 2,5 mm (0,1”) y en la ID
puede ser 3,8 mm (0,15”). El acabado superficial
oscila entre 2,5 mm a 12,5 mm (0,1 - 0,5”).
Máquina de fundición centrífuga para
fundición de acero.
Fundición semicentrífuga
• Es un método en el que el material fundido se hace llegar a
los extremos de los moldes por la fuerza centrífuga que
genera hacer girar a los moldes, los extremos se llenan del
material fundido, con buena densidad y uniformidad.
• El centro tiene poco material o de poca densidad, presenta
defectos y porosidad. Por lo que solo es adecuado para
partes en las que el centro en este tipo de sistemas de
fundición sea maquinado posteriormente.
• Los moldes utilizados pueden ser permanentes o fungibles,
se puede apilar, según sea necesario.
• Las velocidades de rotación son más bajos que los que se
utilizan en fundición centrífuga real.
• Este proceso se utiliza para hacer las ruedas, boquillas y
otras piezas macizas simétricas
Centrifugado
• Es un sistema donde por medio de un tallo se
hace llegar metal fundido a racimos de piezas
colocadas simétricamente en la periferia.
• Esto proporciona un medio de aumentar la
presión de llenado dentro de cada molde y
permite la reproducción de intrincados detalles.
• Al poner a girar el sistema se genera fuerza
centrífuga la que es utilizada para aumentar la
uniformidad del metal que llena las cavidades de
los moldes.
Moldeo centrífugo.
3.2 Formado mecánico, forjado,
prensado, estirado, cizallado, doblado,
extrusión, embutido y troquelado.
• La deformación es únicamente uno de los diversos procesos que
pueden usarse para obtener formas intermedias o finales en el
metal.
• El estudio de la plasticidad está comprometido con la relación entre
el flujo del metal y el esfuerzo aplicado. Si ésta puede determinarse,
entonces las formas más requeridas pueden realizarse por la
aplicación de fuerzas calculadas en direcciones específicas y a
velocidades controladas.
• Las maquinas, aparatos, herramientas y diversos artículos
mecánicos están formados por muchas piezas unidas, tales como:
pernos, armazones, ruedas, engranajes, tornillos, etc. Todas estas
piezas obtienen su forma mediante diferentes procesos mecánicos
(Procesos de conformado), fundición, forja, estirado, laminado,
corte de barras y planchas, y por sobre todo mediante arranque de
virutas.
Laminado
• Este es un proceso en el cual se reduce el espesor del
material pasándolo entre un par de rodillos rotatorios. Los
rodillos son generalmente cilíndricos y producen productos
planos tales como láminas o cintas. También pueden estar
ranurados o grabados sobre una superficie a fin de cambiar
el perfil, así como estampar patrones en relieve. Este
proceso de deformación puede llevarse a cabo, ya sea en
caliente o en frío.
• El trabajo en caliente es usado muy ampliamente porque es
posible realizar un cambio en forma rápida y barata. El
laminado en frío se lleva a cabo por razones especiales,
tales como la producción de buenas superficies de acabado
o propiedades mecánicas especiales. Se lamina más metal
que el total tratado por todos los otros procesos.
Laminado
Forjado
• En el caso más simple, el metal es comprimido entre
martillo y un yunque y la forma final se obtiene girando y
moviendo la pieza de trabajo entre golpe y golpe. Para
producción en masa y el formado de secciones grandes, el
martillo es sustituido por un martinete o dado deslizante
en un bastidor e impulsado por una potencia mecánica,
hidráulica o vapor. Puede darse en frio o en caliente.
• Un dispositivo utiliza directamente el empuje hacia abajo
que resulta de la explosión en la cabeza de un cilindro
sobre un pistón móvil. Los dados que han sustituido al
martillo y al yunque pueden variar desde un par de
herramientas de cara plana, hasta ejemplares que tiene
cavidades apareadas capaces de ser usadas para producir
las formas más complejas.
• Un ejemplo es el acuñado, donde los metales superficiales
son impartidos a una pieza de metal por forjado en frío. Es
el método de formado de metal más antiguo y hay muchos
ejemplos que se remontan hasta 1000 años A. C.
Forjado.
Estirado
• Este es esencialmente un proceso para la
producción de formas en hojas de metal.
• Las hojas se estiran sobre hormas
conformadas en donde se deforman
plásticamente hasta asumir los perfiles
requeridos.
• Es un proceso de trabajo en frío y es
generalmente el menos usado de todos los
procesos de trabajo.
Estirado.
Cizallado
• El corte del metal implica su sostenimiento a un esfuerzo de corte,
superior a su resistencia límite, entre filos cortantes adyacentes
como se muestra en la figura.
• Conforme el punzón desciende sobre el metal, la presión produce
una deformación plástica que tiene lugar como en B en la figura. El
metal se somete a un esfuerzo muy alto entre los filos de la matriz y
el punzón, y las fracturas se inician en ambos lados de la lámina a
medida que continúa la deformación.
• Cuando se alcanza el límite de resistencia del material la fractura
progresa; si el juego es correcto, y ambos filos tienen el mismo
aguzado, las fracturas se encuentran en el centro de la lámina como
se muestra en C.
• El valor del juego, que desempeña un papel importante en el diseño
de matrices depende de la dureza del material. Para el acero deberá
ser del 5 al 8 % del espesor del material por lado. Si se usa un juego
inadecuado, las fracturas no coinciden, y en cambio, deben
atravesar todo el espesor de la lámina, consumiendo más potencia.
Cizallado
Doblado
• Se puede efectuar con el mismo equipo que se
usa para corte, esto es, prensas operadas con
manivela, excéntrico y leva.
• En donde esté considerado el doblado, el metal
se somete a esfuerzos tanto en tensión como de
compresión con valores inferiores a la resistencia
límite del material, sin un cambio apreciable del
espesor.
• Tal como en una prensa dobladora, el doblado
simple implica un doblez recto a lo largo de la
lámina de metal.
Doblado
Prensa Dobladora
Extrusión
• En este proceso un cilindro o trozo de metal es forzado
a través de un orificio por medio de un émbolo, por tal
efecto, el metal estirado y extruido tiene una sección
transversal, igual a la del orificio del dado.
• Hay dos tipos de extrusión, extrusión directa y
extrusión indirecta o invertida. En el primer caso, el
émbolo y el dado están en los extremos opuestos del
cilindro y el material es empujado contra y a través del
dado. En la extrusión indirecta el dado es sujetado en
el extremo de un émbolo hueco y es forzado contra el
cilindro, de manera que el metal es extruido hacia
atrás, a través del dado.
• El proceso se efectúa a una temperatura de 450 a
500 ºC con el fin de garantizar la extrusión.
• El diseño de la matriz se hace de acuerdo con las
necesidades del mercado o del cliente particular.
• La extrusión nos permite obtener secciones
transversales sólidas o tubulares que en otros
metales sería imposible obtener sin recurrir al
ensamble de varias piezas.
Extrusión
Prensado y Embutido profundo
• El prensado simple se lleva a cabo presionando un
trozo de metal entre un punzón y una matriz.
• El embutido profundo es una extensión del prensado
en la que a un tejo de metal, se le da una tercera
dimensión considerable después de fluir a través de un
dado. Latas para alimentos y botes para bebidas, son
los ejemplos más comunes.
• Este proceso puede llevarse a cabo únicamente en frío.
Cualquier intento de estirado en caliente, produce en
el metal un cuello y la ruptura. El anillo de presión en la
figura evita que el blanco se levante de la superficie del
dado, dando arrugas radiales o pliegues que tienden a
formarse en el metal fluyendo hacia el interior desde la
periferia del orificio del dado.
Embutido.
3.3 Desprendimiento de viruta por
maquinado, convencional y CNC.
• El maquinado es un proceso mediante el cual
se remueve metal por medio de una
herramienta para dar forma o acabado a una
pieza.
• Se utilizan métodos tradicionales como el
torneado, el taladrado, el corte, y el amolado,
o métodos menos tradicionales que usan
como agentes la electricidad o el ultrasonido.
Esmerilado
• Operación con la que se trata de conseguir
unas superficies con irregularidades
superficiales muy bajas, es decir, con
rugosidad muy reducida.
• En función del tipo de abrasivo empleado
pueden obtenerse superficies rectificadas,
pulidas o simplemente desbastadas.
Taladrado
• El taladrado es la operación de producir una
perforación cuando se elimina metal de una masa
sólida utilizando una herramienta de corte llamada
broca espiral o helicoidal.
• Un taladro es una máquina perforadora y es esencial
en cualquier taller metal-mecánico. Un taladro consta
de un eje (que hace girar la broca y puede avanzar
hacia la pieza de trabajo, ya sea automática o
manualmente) y una mesa de trabajo (que sostiene
rígidamente la pieza de trabajo en posición cuando se
hace la perforación).
• Un taladro se utiliza principalmente para hace
perforaciones en metales; sin embargo, también
pueden llevarse a cabo operaciones como roscado,
rimado, contrataladro, abocardado, mandrinado y
refrentado.
Otros Procesos Básicos
• Avellanado: Es la operación de producir un ensanchamiento
en forma de uso o cono en el extremo de una perforacion.
• Rimado: Es la operación de dimensionar y producir una
perforación redonda y lisa a partir de una perforación
taladrada o mandrinada previamente, utilizando una
herramienta de corte con varios bordes de corte.
• Mandrinado o torneado interior: Es la operación de
emparejar y ensanchar una perforación por medio de una
herramienta de corte de un solo filo, generalmente
sostenida por una barra de mandrinado.
• El careado para tuercas o refrentado.: Es la operación de
alisar y escuadrar la superficie alrededor de una peroración
para proporcionar asentamiento para un tornillo de cabeza
o una tuerca.
• Roscado: Es la operación de cortar roscas internas en una
perforación, con una herramienta de corte llamada
machuelo.
Torneado
• Se denomina torno (del latín tornus, y este del griego
τόρνος, giro, vuelta) a un conjunto de máquinas y
herramientas que permiten mecanizar piezas de forma
geométrica de revolución.
• Estas máquinas-herramienta operan haciendo girar la
pieza a mecanizar (sujeta en el cabezal o fijada entre
los puntos de centraje) mientras una o varias
herramientas de corte son empujadas en un
movimiento regulado de avance contra la superficie de
la pieza, cortando la viruta de acuerdo con las
condiciones tecnológicas de mecanizado adecuadas.
• Desde el inicio de la Revolución industrial, el torno se
ha convertido en una máquina básica en el proceso
industrial de mecanizado.
Torno
Fresado
• Una fresadora es una máquina herramienta utilizada
para realizar mecanizados por arranque de viruta
mediante el movimiento de una herramienta rotativa
de varios filos de corte denominada fresa.
• El fresado consiste fundamentalmente en el corte del
material que se mecaniza con una herramienta rotativa
de varios filos o plaquitas de metal duro, mediante
movimientos de avance programados de la mesa de
trabajo en casi cualquier dirección de los tres ejes
posibles en los que se puede desplazar la mesa donde
va fijada la pieza que se mecaniza.
Cepillado
• La cepilladora para metales se creó con la finalidad de remover
metal para producir superficies planas horizontales, verticales o
inclinadas, dónde la pieza de trabajo se sujeta a una prensa de
tornillo o directamente en la mesa.
• Las cepilladoras tienen un sólo tipo de movimiento de su brazo o
carro éste es de vaivén, mientras que los movimientos para dar la
profundidad del corte y avance se dan por medio de la mesa de
trabajo.
• Los cepillos emplean una herramienta de corte de punta, semejante
a la del torno.
• Ésta herramienta se fija a un portaútilies o poste, fijado a su vez a
una corredera o carro, esta tiene movimiento de vaivén, empujando
la herramienta de corte de un lado a otro de la pieza. La carrera de
la corredera hacia adelante es la carrera de corte. Con la carrera de
regreso, la herramienta regresa a la posición inicial. Cuando regresa,
la mesa y la pieza avanzan la cantidad deseada para el siguiente
corte.
Control Numérico Computarizado
(CNC)
• Es un sistema de automatización de máquinas
herramienta que son operadas mediante
comandos programados en un medio de
almacenamiento o programa, a diferencia del
mando manual mediante volantes o palancas.
• Para mecanizar una pieza se usa un sistema de
coordenadas espaciales (x, y, z)que
especificarán el movimiento de la herramienta
de corte.
• El sistema se basa en el control de los movimientos de
la herramienta de trabajo con relación a los ejes de
coordenadas de la máquina, usando un programa
informático ejecutado por una computadora.
• En el caso de un torno, hace falta controlar los
movimientos de la herramienta en dos ejes de
coordenadas: el eje de las X para los desplazamientos
longitudinales del carro y el eje de las Z para los
desplazamientos transversales de la torre.
• En el caso de las fresadoras se controlan también los
desplazamientos verticales, que corresponden al eje Y.
Para ello se incorporan servomotores en los
mecanismos de desplazamiento del carro y la torreta,
en el caso de los tornos, y en la mesa en el caso de la
fresadora; dependiendo de la capacidad de la máquina,
esto puede no ser limitado únicamente a tres ejes.