Unidad II Procesos de Manufactura

7/31/2019 Unidad II Procesos de Manufactura

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Procesos de ManufacturaUnidad IIProceso de Formado Tradicional

Equipo 2Aguilar Gallaga Mario AlbertoFlores Calzada RobertoMartnez Baos Marco Antonio

Moran Mosqueda MiguelRodrguez Arias Jonathan AntonioSanchez Estrada OmarTllez Prez Jorge Roberto


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2.1 Laminacin2.2 Forjado

2.3 Estirado (Trefilado) de barras,

alambres y tubos2.4 Extruccion


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Introduccin

En general se menciona estos procesos cuando se tieneuna parte inicial ms voluminosa que

laminar, y las deformaciones son significativas con

referencia a su forma inicial.Los procesos de deformacin volumtrica que sedescriben en esta seccin son: 1) laminado, 2)

forjado, 3) extrusin, 4) estirado de alambre y barras.


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La seccin tambin documenta las variantes y

operaciones afines a estos cuatro procesos bsicos que sehan desarrollado a travs de los aos.

Estos proceso se pueden clasificar en: operaciones enfri o en caliente.

Se realiza las operaciones en fri cuando la deformacinno es tan significativa y se requiere mejorar laspropiedades mecnicas de las partes con un buenacabado superficial. El trabajo en caliente se realiza

cuando la deformacin es significativa comparada conla parte original.


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La importancia tecnolgica y comercial de los procesosde deformacin volumtrica deriva de lo siguiente:

Con las operaciones de trabajo en caliente se puedenlograr cambios significativos en la forma de las partesde trabajo.

Las operaciones de trabajo en fro se pueden usar nosolamente para dar forma al trabajo, sino tambin paraincrementar su resistencia.

Estos procesos producen poco o ningn desperdiciocomo subproducto de la operacin. Algunas

operaciones de deformacin volumtrica son procesosdeforma neta o casi neta; se alcanza la forma final conpoco o ningn maquinado posterior.


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Fundamentos del formado de metales

El formado de metales incluye varios procesos demanufactura en los cuales se usa la deformacin

plstica para cambiar la forma de las piezas metlicas. Ladeformacin resulta del uso de una

herramienta que usualmente es un dado para formarmetales, el cual aplica esfuerzos que exceden la

resistencia a la fluencia del metal. Por tanto, el metal sedeforma para tornar la forma que determina la

geometra del dado.


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En general, se aplica el esfuerzo de compresin para deformarplsticamente el metal. Sin embargo, algunos procesos de

formado estiran el metal, mientras que otros lo doblan y otrosms lo cortan. Para formar exitosamente un metal ste debeposeer ciertas propiedades. Las propiedades convenientes para elformado son generalmente una baja resistencia a la fluencia yalta ductilidad. Estas propiedades son afectadas por la

temperatura. La ductilidad se incrementa y la resistencia a lafluencia se reduce cuando se aumenta la temperatura de trabajo.El efecto de la temperatura da lugar a la distincin entretrabajo en fro, trabajo en caliente por debajo de la temperatura

de recristalizacin y trabajo en caliente. La velocidad deformacin y la friccin son factores adicionales que afectan eldesempeo del formado de metales. En este captuloexaminaremos dichos aspectos, pero primero proporcionamosuna visin general de los procesos de formado de metales.


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Proceso de deformacin volumtrica

Los procesos del formado se pueden clasificar en: 1) procesos de

deformacin volumtrica y 2) procesos de trabajo metlico.Estas dos categoras se cubren en detalle en el transcurso de laexposicin.Los procesos de deformacin volumtrica se caracterizan por

deformaciones significativas y cambios de forma, la relacinentre el rea superficial y el volumen de trabajo esrelativamente pequea.El trmino volumtrico describe a las partes de trabajo quetienen esta baja relacin de rea volumen. La forma del trabajo

inicial para estos procesos incluye tochos cilndricos y barrasrectangulares. La operacin bsica en deformacin volumtricase ilustra en las figura sigue:


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Laminado. Es un proceso de deformacin por compresin en

el cual el espesor de una plancha oplaca se reduce por mediode herramientas cilndricas opuestas llamadas rodillos. Losrodillos giran para estirar la placa y realizar el trabajo dentrode la abertura entre ellos y comprimirla.

Forjado. En el Forjado se comprime una pieza de trabajoentre dos dados opuestos, de manera que la forma del dado seimprima para obtener el trabajo requerido. El forjado es un

proceso tradicional de trabajo en caliente, pero muchos tiposde forjado se hacen tambin en fro.


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Extrusin. Es un proceso de compresin en el cual

se fuerza el metal de trabajo a f luir a travs de laabertura de un dado para que tome, la forma de laabertura de ste en su seccin transversal.

Estirado. En este proceso de formado, el dimetro deun alambre o barra se reduce cuando se tira

del alambre a travs de la abertura del dado.


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Procesos bsicos de deformacin volumtrica: (a) laminado (b) forjado (c) extrusiny (d) estirado. El movimiento relativo en las operaciones se indica por v, y las se

indican por F.


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2.1 Laminacin


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PRODUCTOS LAMINADOSEl laminado es un proceso de deformacin en el cual el metal

pasa entre dos rodillos y se comprime mediante fuerzas decompresin ejercidas por los rodillos. Los rodillos giran,como se ilustra en la figura , para jalar el material ysimultneamente apretarlo entre ellos. Un procesoestrechamente relacionado es el laminado de perfiles, en elcual una seccin transversal cuadrada se transforma en unperfil, como por ejemplo un perfil I.


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La mayora de los procesos de laminado involucra una altainversin de capital, ya que se requiere equipos pesadosllamados molinos laminadores o de laminacin, El alto costo deinversin requiere que la produccin sea en grandes cantidades

y por lo general artculos estndares como lminas y placas. La

mayora de los productos laminados se realizan en calientedebido a la gran cantidad de deformacin requerida, y se lellama laminado en caliente. Los metales laminados en calienteestn generalmente libres de esfuerzos residuales y sus

propiedades son isotrpicas. Las desventajas del laminado encaliente son que el producto no puede mantenerse dentro detolerancias adecuadas, y la superficie presenta una capa de xidocaracterstica.


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Examinemos la secuencia de pasos en un molino delaminacin para ilustrar la variedad de productos que pueden

hacerse. El trabajo empieza con un lingote de acero fundido yrecin solidificado.

An caliente, el lingote se coloca en un horno dondepermanece por muchas horas, hasta alcanzar unatemperatura uniforme en toda su extensin, para que puedafluir consistentemente durante el laminado.

Para el acero, la temperatura de laminacin es alrededor de

1200 C. La operacin de calentamiento se llama recalentada,y los hornos en los cuales se lleva a cabo se llaman fosas derecalentamiento.


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Algunos productos de acero hechos en molino de laminacin.


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El lingote recalentado pasa al molino de laminacin, donde selamina para convertirlo en una de las tres formas intermediasllamadas lupias, tochos o planchas. Una lupia tiene una seccintransversal cuadrada de 150 mm de lado o mayor. Un tocho se

lamina a partir de una lupia, es de seccin transversal cuadradade 38 mm por lado o mayor. Una plancha se lamina a partir de unlingote o de una lupia y, tiene una seccin rectangular de 250mm de ancho o ms, y un espesor de 38 mm o ms. Estas formasintermedias se laminan posteriormente para convertirlas enproductos finales.


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Las lupias se laminan para generar perfiles estructurales yrieles para ferrocarril. Los tochos se laminan para producirbarras y varillas. Estas formas son la materia prima para elmaquinado, estirado de alambre, forjado y otros procesos detrabajo de metales.

Las planchas se laminan para convertirlas en placas, lminasy tiras. Las placas laminadas en caliente se usan para laconstruccin de barcos,

puentes, calderas, estructuras soldadas para maquinariapesada, tubos y tuberas, y muchos otros productos.


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Laminado plano y su anlisis

El laminado plano se ilustra en las figuras 3.6. y 3.8. Involucra ellaminado de planchas, tiras, lminas y placas, partes de trabajode seccin transversal rectangular con un ancho mayor que elespesor. En el laminado plano, se presiona el material de

trabajo entre dos rodillos de manera que su espesor se reduce.

Adems de reducir el espesor, el laminado incrementausualmente el ancho del material de trabajo.

Esto se llama esparcido y tiende a ser ms pronunciado conbajas relaciones entre espesor y ancho, ascomo con bajoscoeficientes de friccin. Existe la conservacin del material, detal manera que el volumen de metal que sale de los rodillos esigual al volumen que entra a los rodillos.


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Laminado de perfiles

En el laminado de perfiles, el material de trabajo se deforma yse generar un contorno en la seccin transversal. Losproductos hechos por este procedimiento incluyen perfiles deconstruccin como perfiles en I, en L y canales en U; rielespara vas de ferrocarril y barras redondas y cuadradas, ascomo varilla. El proceso se realiza pasando el material detrabajo a travs de rodillos que tienen impreso el reverso de la

forma deseada.


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La mayora de los principios que se aplican al laminado planoson aplicables al laminado de perfiles. Los rodillos formadores

son ms complicados; y el material inicial, de formageneralmente cuadrada, requiere una transformacin gradual atravs de varios rodillos para alcanzar la seccin final.

El diseo de la secuencia de las formas intermedias y loscorrespondientes rodillos s llama diseo de pases delaminacin Su meta es lograr una deformacin uniforme atravs de las secciones transversales de cada reduccin. De otraforma ciertas porciones de trabajo se reducen ms que otras,causando una mayor elongacin en estas secciones. Lasconsecuencias de una reduccin no uniforme pueden sertorceduras y agrietamiento del producto laminado. Se utilizanrodillos horizontales y verticales para lograr una reduccin

consistente del material de trabajo.


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Molinos laminadores

Se dispone de varias configuraciones para los molinos laminadores quemanejan una variedad de aplicaciones y problemas tcnicos en los procesos delaminacin. El molino de laminacin bsico consiste en dos rodillos opuestos

y se denomina molino de laminacin de dos rodillos, el cual se muestra en lasfiguras. Los rodillos en estos molinos tienen dimetros que van de 0.6 a 1.4 m.

La configuracin dos rodillos puede ser reversible o no reversible. En el molinono reversible los rodillos giransiempre en la misma direccin y el trabajo siempre pasa a travs del mismolado. El molino reversible permite la rotacin de los rodillos en ambasdirecciones, de manera que el trabajo puede pasar a travs de cualquier

direccin. Esto permite una serie de reducciones que se hacen a travs delmismo juego de rodillos, pasando simplemente el trabajo varias veces desdedirecciones opuestas. La desventaja de la configuracin reversible es elmomento angular significativo debido a la rotacin de grandes rodillos, y losproblemas tcnicos asociados a la reversibilidad de la direccin.


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Se ganan algunas ventajas al reducir el dimetro de losrodillos. La longitud de contacto entre los rodillos y el

trabajo se reduce con un menor radio de los rodillos y estoconduce a fuerzas ms bajas, menor momento de torsin, ymenor potencia. En los molinos de cuatro rodillos se usandos rodillos de dimetro menor para hacer contacto con el

trabajo y dos rodillos detrs como respaldo, como se muestraen la figura.

Debido a las altas fuerzas de laminado, los rodillos menorespodran desviarse elsticamente con el paso de lalaminacin, s no fuera por los rodillos ms grandes derespaldo que los soportan. Otra configuracin que permite eluso de rodillos menores contra el trabajo es el molino enconjunto o racimo.


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Varias configuraciones de molinos de laminacin: (a) dos rodillos, (b)tres rodillos, (c) cuatro rodillos, (d) molino en conjunto y (e) molinode rodillos en tndem


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Para lograr altas velocidades de rendimiento en los productos

estndar se usa frecuentemente un molino de rodillos tndem.Esta configuracin consiste en una serie de bastidores derodillos como se aprecia en la figura (e). Aunque slo semuestran tres bastidores en nuestro diagrama un molino

laminador en tndem puede tener ocho o diez pares de rodillos,y cada uno realiza una reduccin en el espesor o unrefinamiento en la forma del material de trabajo que pasa entreellos.

A cada paso de laminacin se incrementa la velocidad haciendo

significativo el problema de sincronizar las velocidades de losrodillos en cada etapa.


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Otras operaciones de laminadoAlgunos otros procesos, de deformacin volumtrica usan

rodillos para formar las partes de trabajo, estas operacionesincluyen laminado de anillos, laminado de cuerdas, laminado deengranes y perforado de rodillos.

Laminado de anillos

El laminado de anillos es un proceso de deformacin quelamina las paredes gruesas de un anillo para obtener anillos deparedes ms delgadas, pero de un dimetro mayor. La figura

ilustra el proceso antes y despus. Conforme el anillo de paredesgruesas se comprime, el material se alarga, ocasionando que eldimetro del anillo se agrande. El laminado de anillos se aplicausualmente en procesos de trabajo en caliente para anillos

grandes y en procesos de trabajo en fro para anillos pequeos.


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Laminacin de anillos que se usa para reducir elespesor e incrementar su dimetro: (1) inicio y (2)

proceso terminado.


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Las aplicaciones de laminado de anillos incluyen collares pararodamientos de bolas y rodillos, llantas de acero para ruedas deferrocarril y cinchos para tubos, recipientes a presin ymquinas rotatorias. Las paredes de los anillos no se limitan asecciones rectangulares, el proceso permite la laminacin deformas ms complejas. Las ventajas del laminado de anillos

sobre otros mtodos para fabricar las mismas partes son: elahorro de materias primas, la orientacin ideal de los granospara la aplicacin y el endurecimiento a travs del trabajo enfro.


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Laminado de cuerdas

El laminado de cuerdas se usa para formar cuerdas en partescilndricas, mediante su laminacin entre dos dados. Es elproceso comercial ms importante para produccin masiva decomponentes con cuerdas externas (pernos y tornillos, porejemplo).

El proceso competidor es el maquinado de cuerdas. Lamayora de las operaciones de laminacin de cuerdas serealizan por trabajo en fro utilizando mquinas laminadorasde cuerdas. Estas mquinas estn equipadas con dados

especiales que determinan el tamao y forma de la cuerda, losdados son de dos tipos: 1) dados planos que se muevenalternativamente entre s, como se ilustra en la figura, 2) dadosredondos, que giran relativamente entre si para lograr laaccin de laminado


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Las velocidades de produccin en el laminado de cuerdaspueden ser muy altas, su capacidad alcanza hasta 8 partes porsegundo para pernos y tornillos pequeos. Pero la velocidad noes la nica ventaja con respecto al maquinado, existen otrascomo son: 1) mejor utilizacin del material, 2) cuerdas msfuertes debido al endurecimiento por trabajo, 3) superficies mslisas, 4) mejor resistencia a la fatiga debido a los esfuerzos porcompresin que se introducen durante el laminado.


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Laminado de cuerdas con dados planos: (1) inicio delciclo y (2) fin del ciclo.


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Laminado de engranes

Este es un proceso de formado en fro que produce ciertosengranes. Laindustria automotriz es un importante usuario de estosproductos. La instalacin para el laminado de engranes es

similar al laminado de cuerdas, excepto que las caractersticasde deformacin de los cilindros o discos se orientanparalelamente a su eje (o a un ngulo en el caso de engraneshelicoidales) en lugar de la espiral del laminado de cuerdas.Las ventajas del laminado de engranes - comparadas conel maquinado - son similares a las ventajas en el laminado decuerdas: altas velocidades de produccin, mejor resistencia a lafatiga y menos desperdicio de material.


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Perforado de rodillos

Es un proceso especializado de trabajo en caliente para hacer tubos sin

costura de paredes gruesas. Utiliza dos rodillos opuestos y por tanto se agrupaentre los procesos de laminado. El proceso se basa en el principio que alcomprimir un slido cilndrico sobre su circunferencia, como en la figura (a),se desarrollan altos esfuerzos de tensin en su centro. Si la compresin es losuficientemente alta se forma una grieta interna. Este principio se aprovecha

en el perforado de rodillosmediante la disposicin que se muestra en la figura 3.14 (b). Los esfuerzos decompresin se aplican sobre el tocho cilndrico por dos rodillos, cuyos ejes seorientan en pequeos ngulos (alrededor de con respecto al eje del tocho, deesta manera la rotacin tiende a jalar el tocho a travs de los rodillos.

Un mandril se encarga de controlar el tamao y acabado de la perforacincreada por la accin. Se usan los trminos perforado rotatorio de tubos yproceso Mannesmann para esta operacin en la fabricacin de tubos.


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Perforacin de rodillos: (a) formacin de esfuerzos internos y

de la cavidad por compresin de la parte cilndrica y (b)disposicin del molino de laminacin Mannesmann paraproducir tubo sin costura.


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2.2 Forjado


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El forjado es un proceso de deformacin en el cual el material

se comprime entre los dados, usando impacto o presingradual para formar la parte. Es la operacin ms antigua paraformado de metales y se remonta quiz al ao 5000 a.C. En laactualidad el forjado es un proceso industrial importante,

mediante el cual se hacen una variedad de componentes dealta resistencia para automviles, vehculos aeroespaciales yotras aplicaciones, la industria del acero y de otros metalesbsicos usa el forjado para fijar la forma bsica de grandescomponentes que luego se maquinan para lograr su formafinal y dimensiones definitivas.


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Una manera de clasificar las operaciones de forja es mediantela temperatura de trabajo. La mayora de las operaciones de

forja se realizan en caliente (por arriba y por debajo de latemperatura de recristalizacin), dada la demanda dedeformacin que el proceso requiere y la necesidad de reducirla resistencia e incrementar la ductilidad del metal de trabajo,

sin embargo, el forjado en fro tambin es muy comn paraciertos productos. La ventaja del forjado en fro es la mayorresistencia que adquiere el material, que resulta delendurecimiento por deformacin.En el forjado se aplica la presin por impacto o en forma

gradual. La diferencia depende ms del tipo de equipo que delas diferencias en la tecnologa de los procesos. Una mquinade forjado que aplica cargas de impacto se llama martinete deforja, mientras la que aplica presin gradual se llama prensa

de forjado.


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Otra diferencia, entre las operaciones de forjado es elgrado en que los dados restringen el flujo del metal detrabajo. Atendiendo a esta clasificacin, hay tres tiposde operaciones de forjado: a) forjado en dado abierto,b) forjado en dado impresor y c) forjado sin rebaba.

Forjado en dado abierto


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Forjado en dado abierto

El caso ms simple de forjado consiste en comprimir unaparte de seccin cilndrica entre dos dados planos, muysemejante a un ensayo de la compresin. Esta operacin deforjado se conoce como recalcado o forjado para recalcar,reduce la altura de material de trabajo e incrementa sudimetro.

Anlisis del Forjado en Dado Abierto

Si el forjado en dado abierto se lleva a cabo bajo condiciones

ideales, sin friccin entre el material de trabajo y la superficiedel dado, ocurre una deformacin homognea y el flujoradial de material es uniforme a lo largo de su altura como serepresenta en la figura .


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Deformacin homognea de una parte de trabajo

cilndrica bajo condiciones ideales en una operacin deforjado en dado abierto: (1) inicio del proceso con laparte de trabajo a su altura y dimetros originales,(2) compresin parcial y (3) tamao final.


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El reaA se incrementa continuamente al reducirse la altura hdurante la operacin. El esfuerzo de fluencia Yf se incrementatambin como resultado del endurecimiento por trabajo, exceptocuando elmetal es perfectamente plstico (trabajo en caliente).En este caso, el exponente de endurecimiento por deformacin

n = 0, y el esfuerzo de fluencia Yf iguala al esfuerzo de fluenciadel metal Y. La fuerza alcanza un valor mximo al final de lacarrera de forjado, donde el rea y el esfuerzo de fluencia llegana su valor ms alto.


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Una operacin real de recalcado no ocurre exactamente comose muestra en la figura anterior, debido a que la friccin en la

superficie de los dados se opone al flujo de metal. Esto crea unefecto de abultamiento en forma de barril, llamadoabarrilamiento, que se muestra en la figura siguiente. Cuandose realiza un trabajo en caliente con dados fros, elabarrilamiento es ms pronunciado. Esto se debe a: 1)un coeficiente de friccin ms alto, tpico del trabajo encaliente y 2) la transferencia de calor en la superficie del dado ysus cercanas, lo cual enfra el metal y aumenta su resistencia ala deformacin. El metal ms caliente se encuentra en medio

de la parte y fluye ms fcilmente que el metal ms fro de losextremos. El efecto se acenta al aumentar la relacin entre eldimetro y la altura de la parte, debido a lamayor rea de contacto en la interface dado - material de

trabajo.


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Deformacin cilndrica real de una parte de trabajo en forjadoen dado abierto mostrando un abarrilamiento pronunciado:(1) inicio del proceso, (2) deformacin parcial y (3) forma final.


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Prctica del forjado en dado abierto

El forjado caliente, en dado abierto es un proceso industrial

importante. Las formas generadas por operaciones en dado abierto sonsimples. Los dados en algunas aplicaciones tienen superficies con ligeroscontornos que ayudan a formar el material de trabajo. ste, adems, debemanipularse frecuentemente (girndolo en cada paso, por ejemplo) paraefectuar los cambios de forma requeridos. La habilidad del operador es un

factor importante para el xito de estasoperaciones. Un ejemplo de forjado en dado abierto en la industria delacero es el formado de grandes lingotes cuadrados para convertirlos ensecciones redondas. Las operaciones de forja en dado abierto producenformas rudimentarias que necesitan operaciones posteriores para refinarlas partes a sus dimensiones y geometra final. Una contribucinimportante del forjado en caliente en dado abierto es la creacin de unflujo de granos y de una estructura metalrgica favorable en el metal.


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El forjado con dado abierto puede realizarse con dadosconvexos, con dados cncavos y por secciones, como seilustran en la figura siguiente. El forjado con dadosconvexos es una operacin de forja que se utiliza para

reducir la seccin transversal y redistribuir el metal en unaparte de trabajo, como preparacin para operacionesposteriores de formado con forja. El forjado con dadoscncavos es similar al anterior, excepto que los dados tienensuperficies cncavas.


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Varias operaciones de forjado en dado abierto: (a) con dadosconvexos, (b) con dados cncavos y (c) por secciones.


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Una operacin de forjado por secciones consiste en unasecuencia de compresiones a lo largo de una pieza de trabajopara reducir su seccin transversal e incrementar su longitud.Se usa en la industria siderrgica para producir lupias yplanchas a partir de lingotes fundidos, en la operacin seutilizan dados abiertos con superficies planas o con un ligerocontorno. Con frecuencia se usa el trmino forjado incrementalpara este proceso.


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Forjado con dado impresor

Llamado algunas veces forjado en dado cerrado,se realiza con dados que tienen la forma inversa a

la requerida para la parte. Este proceso se ilustraen una secuencia de tres pasos en la figurasiguiente.


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Secuencia en el forjado con dado impresor: (1)inmediatamente antes del contacto inicial con la pieza de

trabajo en bruto, (2) compresin parcial, (3) cerradurafinal de los dados, ocasionando la formacin de rebabaentre las placas del dado y (4) muestra una secuencia depasos en la fabricacin de una biela as como el dado.


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La pieza de trabajo inicial se muestra como una parte cilndrica. Alcerrarse el dado y llegar a su posicin final, el metal f luye ms all de la

cavidad del dado y forma una rebaba en la pequea abertura entre lasplacas del dado. Aunque la rebaba se recorta posteriormente, tienerealmente una funcin importante en el forjado por impresin, ya quecuando sta empieza a formarse, la friccin se opone a que el metal sigafluyendo hacia la abertura, y de esta manera fuerza al material de trabajo a

permanecer en la cavidad, En el formado en caliente, la restriccin delflujo de metal es mayor debido a que la rebaba delgada se enfrarpidamente contra las placas del dado, incrementando la resistencia a ladeformacin.

La restriccin del f lujo de metal en la abertura hace que las presiones decompresin se incrementen significativamente, forzando al material allenar los detalles algunas veces intrincados de la cavidad del dado, conesto se obtiene un producto de alta calidad.


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Con frecuencia se requieren varios pasos en el forjado condado impresor para transformar la forma inicial en la formafinal deseada, como se muestra en la figura . Para cada pasose necesitan cavidades separadas. Los pasos iniciales sedisean para redistribuir el metal en la parte de trabajo yconseguir as una deformacin uniforme y la estructura

metlica requerida para las etapassiguientes, Los ltimos pasos le dan el acabado final a lapieza. Adems, cuando se usan martinetes; se puedenrequerir varios golpes de martillo para cada paso. Cuando el

forjado con martinete se hace a mano, como sucede amenudo, se requiere considerable habilidad del operadorpara lograr resultados consistentes en condiciones adversas.


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El forjado con dado impresor no tiene toleranciasestrechas de trabajo y frecuentemente se requiere elmaquinado para lograr la precisin necesaria. El procesode forjado genera la geometra bsica de la parte y elmaquinado realiza los acabados de precisin que serequieren en algunas porciones de la parte (por ejemplo,

perforaciones, cuerdas y superficies que deben coincidircon otros componentes). Las ventajas del forjado sobre elmaquinado completo de la parte son: velocidad deproduccin ms alta, conservacin del metal, mayor

resistencia y orientacin ms favorable de los granosde metal. En la figura siguiente se ilustra unacomparacin del flujo granular en el forjado y en elmaquinado.


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Comparacin del flujo de granos metlicos en una parte

que es: (a) forjada en caliente con acabado maquinado y(b) completamente maquinada.


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Los mejoramientos de la tecnologa del forjado con dadoimpresor han tenido como resultado la capacidad deproducir forjados con secciones ms delgadas, formas mscomplejas, reduccin drstica de los requerimientos de

ahusamiento en los dados, tolerancias ms estrechas y lavirtual eliminacin de concesiones al maquinado. Losprocesos de forjado con estas caractersticas se conocencomo forjado de precisin.


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Secciones transversales de (a) forjado convencional y

(b) forjado de precisin. Las lneas punteadas en (a)indican los requerimientos de maquinado posteriorpara convertir una pieza de forjado convencional enuna forma equivalente a la de forjado de precisin. En

ambos casos tiene que recortarse la rebaba.


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Los metales ms comunes que se usan en el forjado deprecisin son el aluminio y el titanio. En la figura anterior semuestra una comparacin del forjado de precisin y elforjado convencional con dado impresor. Ntese que el

forjado de precisin en este ejemplo no elimina las rebabas,aunque si las reduce. Algunas operaciones de forjado deprecisin se realizan sin producir rebaba. El forjado deprecisin se clasifica propiamente como un proceso de formaneta o casi neta, dependiendo de la necesidad del maquinado

para acabar la forma de la parte.


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En la terminologa industrial, el forjado con dado impresor

se llama algunas veces forjado en dado cerrado. Sin embargo,hay una distincin tcnica entre forjado con dado impresor yforjado con dado cerrado real. La distincin es que en elforjado con dado cerrado, la pieza de trabajo original queda

contenida completamente dentro de la cavidad del dadodurante la compresin y no se forma rebaba. La secuenciadel proceso se ilustra en la figura siguiente. Para identificareste proceso es apropiado el trminoforjado sin rebaba.


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El forjado sin rebaba impone ciertos requerimiento sobre el

control del proceso, ms exigentes que el forjado con dadoimpresor. El parmetro ms importante es que el volumendel material de trabajo debe igualar al volumen de la cavidaddel dado dentro de muy estrechas tolerancias. Si la pieza detrabajo inicial es demasiado grande, la presin excesiva

puede causar dao al dado o a la prensa. Si la pieza detrabajo es demasiado pequea, no se llenar la cavidad.Debido a este requerimiento especial, el proceso es msadecuado en la manufactura de partes geomtricas simples y

simtricas, y para trabajar metales como el aluminio, elmagnesio o sus aleaciones. El forjado sin rebaba se clasificafrecuentemente como un proceso deforjado de precisin.


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Forjado sin rebaba: (1) inmediatamente antes delcontacto inicial con la pieza de trabajo, (2) compresinparcial y (3) final de la carrera del punzn y cierre deldado. Los smbolos v y F indican movimiento(v = velocidad) y fuerza aplicada, respectivamente.

Las fuerzas en el forjado sin rebaba alcanzan valores


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Las fuerzas en el forjado sin rebaba alcanzan valorescomparables a las del forjado con dado impresor. Estas fuerzasse pueden, estimar usando los mismos mtodos para el forjadocon dado impresor.

Operacin de acuado: (1) inicio del ciclo, (2) tiempo de compresin y(3) remocin de la parte terminada.


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El acuado es una aplicacin especial del forjado sin

rebaba mediante el cual se imprimen los finos detalles deldado en la superficie superior y en el fondo de la pieza detrabajo. En el acuado hay poco flujo de metal; noobstante, las presiones requeridas para reproducir losdetalles superficiales de la cavidad del dado son altas. Unaaplicacin comn delacuado es desde luego la acuacinde monedas, que se ilustra en la figura anterior. El procesose usa tambin para dar acabados superficiales y deprecisin dimensional a algunas partes fabricadas por

otras operaciones.


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Martinetes de forja


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Martinetes de forja

Estos martinetes funcionan aplicando una descarga por impacto contra elmaterial de trabajo. Se usa frecuentemente el trmino martinete de cada

libre para designar, estas mquinas, por la forma de liberar la energa deimpacto.

(a) (b) (c)

(a) Martinete de vapor con doble marco (b) Martinete de cada libre(c) presa de forja hidrulica de treinta y cinco mil toneladas.

Los martinetes se usan ms frecuentemente para forjado con


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Los martinetes se usan ms frecuentemente para forjado condado impresor. La parte superior del dado de forjado se fija alpisn y la parte inferior se fija al yunque. En la operacin, el

material de trabajo se coloca en el dado inferior, el pisn seeleva y luego se deja caer sobre la pieza de trabajo. Cuando laparte superior del dado golpea el material de trabajo, laenerga del impacto ocasiona que la parte tome laforma de la cavidad del dado. Se necesitan varios golpes de

martillo para lograr el cambio deseado de forma. Losmartinetes se pueden clasificar cmo martinetes de cada libre

y martinetes de potencia. Los martinetes de cada libregeneran su energa por el peso de un pisn que cae libremente.

La fuerza delgolpe se determina por la altura de la cada y elpeso del pisn. Los martinetes de potencia aceleran el pisncon presin de aire o vapor. Una desventaja del martinete decada libre es que una gran parte de la energa del impacto setrasmite a travs del yunque al piso del edificio.

Prensas de forjado


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f j

Las prensas aplican una presin gradual, en lugar de impactosrepentinos

para realizar las operaciones de forja (c). Las prensas de forjadoincluyen prensas mecnicas, prensas hidrulicas y prensas detornillo. Las prensas mecnicas funcionan por medio de excntricos,manivelas y juntas o articulaciones de bisagra que convierten el

movimiento giratorio de un motor en movimientos de traslacin delpisn. Las prensas mecnicas tpicas alcanzan fuerzas muy altas enel fondo del recorrido de forjado. Las prensas hidrulicas usan uncilindro hidrulico para accionar el pisn.Las prensas de tornillo aplican la fuerza por medio de un tornillo que

mueve al pisn vertical. Tanto las prensas de tornillo como lashidrulicas operan a velocidades bajas del pisn o ariete y puedensuministrar una fuerza constante a travs de la carrera. Por tanto,estas mquinas son apropiadas para las operaciones de forjado (y

otras operaciones de formado) que requieren grandes carreras.


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Dados de forjado

Es importante el diseo de los dados para el xito de laoperacin de forjado.Las partes que se forjan deben disearse con el conocimientode los principios y limitaciones de este proceso. Nuestroobjetivo es describir parte de la terminologa y algunoslineamientos que se usan en el diseo de dados para forja. Eldiseo de los dados abiertos es generalmente trivial ya que suforma es relativamente simple. Nuestros comentarios se

aplican a los dados impresores y a los dados cerrados. Lafigura siguiente define parte de la terminologa en un dado deimpresin.


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Terminologa para un dado convencional en forjadocon dado impresor.


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En la revisin de la siguiente terminologa de los dados deforjado se indican algunos de los principios y limitacionesen su diseo, que deben considerarse para el diseo de laspartes o para la seleccin de los procesos de manufactura:

Lnea de separacin. La lnea de separacin o particin es

el plano que divide la parte superior deldado de la parteinferior. La llamada lnea de rebaba en el forjado con dadoimpresor es el plano donde se encuentran las dos mitadesdel dado. Su mala seleccin afecta el flujo de los granos en

la pieza, la carga requerida y la formacin de rebaba.


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Ahusamiento (ngulo de salida). Es el grado de inclinacin que

se requiere en los lados de la pieza para poder retirarla del dado.El trmino se aplica tambin al ahusamiento en los lados de lacavidad del molde. Los ngulos tpicos de salida son de 3 parael aluminio y el magnesio, y de 5 a 7 para partes de acero. Los

ngulos de tiro para forjados de precisin son cercanos a cero.

Membranas y costillas. Una membrana es una porcin delgadadel forjado que es paralela a la lnea de separacin, mientrasque una costilla es una porcin delgada perpendicular a la lneade separacin. Estas caractersticas de la parte producendificultad en el flujo de metal al adelgazarse.


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Filetes y radios de las esquinas. Los filetes y las esquinas seilustran en la figura anterior. Los radios pequeos tienden a

limitar el flujo de metal e incrementar la resistencia en lassuperficies del dado durante el forjado.

Rebaba. La formacin de rebaba juega un papel crtico en elforjado con dados de impresin porque causa una acumulacinde la presin dentro del dado que promueve el llenado de lacavidad. Esta acumulacin de presin se controla diseando uncampo para la rebaba y un canal dentro del dado, como semuestra en la figura. El campo determina el rea superficial a

lo largo del cual ocurre el flujo lateral del metal, controlandoas el incremento de la presin dentro del dado, El canalpermite que escape material en exceso y evita que la carga deforjado se eleve a valores extremos.

Otras operaciones de forja


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Ot as ope ac o es de o ja

Aparte de las operaciones convencionales de forja descritas

en las secciones anteriores hay otras operaciones de formadopara metal que estn relacionadas se asocian muy cerca conel forjado.

Una operacin de recalcado para formar la cabeza de un perno u otroartculo similar. El ciclo consiste en: (1) el alambre se alimenta hasta el tope,(2) los dados mordaza se cierran apretando el material y el tope se retira, (3)

el punzn avanza y (4) loca fondo para formar la cabeza.


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Recalcado y encabezamiento

El recalcado (tambin llamado forjado de recalcado) es unaoperacin de deformacin en la cual una parte o pieza detrabajo cilndrica aumenta su dimetro y reduce sulongitud. Esta operacin se analiz en nuestra descripcin

del forjado en dado abierto. Sin embargo, es una operacinindustrial que puede tambin ejecutarse como un forjadoen dado cerrado como se observa en la figura.


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El recalcado se usa ampliamente en la industria de los sujetadores paraformar cabezas de clavos, pernos y productos similares de ferretera. En

estas aplicaciones se emplea frecuentemente el trmino encabezamientopara denotar la operacin. La figura siguiente ilustra una variedad deaplicaciones del encabezamiento, indicando varias configuracionesposibles del dado. Debido a este tipo de aplicaciones, se producen mspartes por recalcado que por cualquier otra operacin de forjado. Elrecalcado se realiza como una operacin de produccin en masa en fro,en tibio o en caliente, con mquinas especiales de recalcado por forja,llamadas formadoras de cabezas. En general, estas mquinas se equipancon deslizaderas horizontales, en lugar de las verticales usadas en losmartinetes y prensas convencionales. El material con que se alimentanestas mquinas son barras o alambres, se forman las cabezas en los

extremos de las barras y luego se corta la pieza a la longitud adecuadapara hacer el artculo de ferretera deseado. Se usa el laminado decuerdas para formar las piezas completas de pernos y tornillos.


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Ejemplos de formacin de cabezas (forjado recalcado):

(a) cabeza de clavo usando dados abiertos, (b) cabezaredonda formada por el punzn, (c) y (d) cabezasformadas por el dado, y (e) perno (le carro formado porel dado y el punzn.


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Estampado (suajeado) con forja y forjado radial

Son procesos de forjado que se usan para reducir el dimetro de untubo o barra slida. El estampado se ejecuta frecuentemente sobre elextremo de una pieza de trabajo para crear una seccin abusada. Elproceso de estampado, que se muestra en la figura 3.29, se realizapor medio de dados rotatorios que golpean en una pieza de trabajo

radialmente hacia dentro para ahusarla conforme la pieza avanzadentro de los dados. La figura siguiente ilustra algunas de las formasy productos que se hacen por estampado. Se requiere algunas vecesun mandril para controlar la forma y tamao del dimetro internode las partes tubulares que se estampan. El forjadoradial es similar al estampado en su accin contra la parte y se usapara crear formas similares. La diferencia es que en el forjado radiallos dados no giran alrededor de la pieza de trabajo; en su lugar, elmaterial de trabajo es el que gira al avanzar dentro de los dadosmartillo.


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Proceso de estampado (suajeado) para reducir materialen barra slida; los dados giran al martillar el materialde trabajo. En el forjado radial el material gira mientraslos dados permanecen en posicin fija martillando elmaterial de trabajo.


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Ejemplos de partes hechas por estampado (a) reduccin

de material slido, (b) ahusado (le un tubo,(c) estampado para formar un canal en un tubo, (d)afilado de un tubo y (e) estampado del cuello en uncilindro de gas.


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Forjado con rodillos

Es un proceso de deformacin que se usa para reducir laseccin transversal de una pieza de trabajo cilndrica (orectangular), sta pasa a travs de una serie de rodillosopuestos con canales que igualan la forma requerida por laparte final. La operacin tpica se ilustra en la figura siguiente.

El forjado con rodillos se clasifica generalmente como unproceso de forja, aun cuando utiliza rodillos. Los rodillos nogiran continuamente, sino solamente a travs de una porcinde revolucin que corresponde a la deformacin que requiere

la parte. La partes forjadas con rodillos son generalmente msfuertes y poseen una estructura granular favorable con respectoa otros procesos competidores como el maquinado que puedeusarse para producir estas mismas partes.


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Forjado con rodillos

Forjado orbital


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Forjado orbital

En este proceso, la deformacin ocurre por medio de un

dado superior en forma de cono que presiona y girasimultneamente sobre el material de trabajo, como seilustra en la figura siguiente. El material de trabajo secomprime sobre un dado inferior que tiene una cavidad.

Debido a que el eje del cono est inclinado, solamente unapequea rea de la superficie del material de trabajo secomprime en cualquier momento. Al revolver el dadosuperior, el rea bajo compresin tambin gira.Estas operaciones caractersticas del forjado orbitalproducen una reduccin sustancial en la cargarequerida de la prensa para alcanzar la deformacin delmaterial del trabajo.


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Forjado orbital. Al final del ciclo de deformacin, el dadoinferior se eleva para expulsar la parte.


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Punzonado

El punzonado en forja es un proceso de deformacin en el cual se prensa

una forma endurecida de acero sobre un bloque de acero suave (u otrometal suave). El proceso se usa frecuentemente para hacer cavidades demoldes para moldeo de plsticos y fundicin en dados, como se muestra enla figura siguiente. La forma de acero endurecido se llama punzn o fresa yest maquinada con la geometra de la parte que se va a moldear. Para forzar

la fresa dentro del bloque de metal suave se requiere una presin sustancial,esto se logra generalmente con una prensa hidrulica. La formacincompleta de la cavidad del dado en el bloque requiere frecuentemente

varios pasos, como el fresado seguido del recocido para remover elendurecimiento por deformacin. Cuando el bloque del material se hadeformado en cantidades significativas, como se muestra en la figura, seelimina el exceso por maquinado. La ventaja del punzonado en estaaplicacin es que es ms fcil maquinar la forma positiva que erosionar lacavidad negativa. Esta ventaja se multiplica en los casos donde se tienenque hacer cavidades mltiples en el bloque del dado.


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Punzonado: (1) antes de la deformacin y (2) al completarse el proceso.Ntese que el material en exceso formado por la penetracin de la fresa deberemoverse por maquinado.

Forjado isotrmico en dado caliente


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Forjado isotrmico en dado caliente

El forjado isotrmico es un trmino que se aplica a operaciones

de forjado caliente, donde la parte de trabajo se mantiene atemperaturas elevadas durantetodo el proceso. Si se evita que la pieza de trabajo se enfre alcontacto con la superficie fra de los dados, como se hace en el

forjado convencional, el metal fluye ms fcilmente y la fuerzarequerida para desempear el proceso se reduce. El forjadoisotrmico es ms costoso que el forjado convencional y sereserva para metales difciles de forjar, como el titanio y lassper aleaciones, y para partes complejas. El proceso se lleva acabo algunas veces al vaco para evitar la oxidacin rpida delmaterial del dado.Similar al forjado isotrmico es el forjado con dado caliente, enel cual se calientan los dados a una temperatura algo menor

que la del metal de trabajo.


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Recortado

El recortado es una operacin que se usa para remover larebaba de la parte de trabajo en el forjado con dado impresor.El recortado en la mayora de los casos se realiza porcizallamiento como en la figura siguiente, en la cual un punzn

fuerza el material de trabajo a travs de un dado de corte, cuyocontorno tiene el perfil de la parte deseada. El recorte se haceusualmente mientras el material de trabajo est an caliente,esto significa que se debe incluir una prensa de recortadoseparada por cada martinete o prensa. En los casos donde eltrabajo podra daarse por el proceso de corte, el recorte puedehacerse por medios alternativos, como esmerilado o aserrado.


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Operacin de recorte (proceso de cizalla) para remover la rebaba despusdel forjado con dado impresor.


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2.3 Estirado (Trefilado) de barras,

alambres y tubos.


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ESTIRADO DE ALAMBRES Y BARRAS

En el contexto de los procesos de deformacin volumtrica, elestirado es una operacin donde la seccin transversal de unabarra, varilla o alambre se reduce al tirar del material a travs dela abertura de un dado como se muestra en la figura siguiente.

Las caractersticas generales del proceso son similares a laextrusin, la diferencia es que en el estirado el material detrabajo se jala a travs del dado, mientras que en la extrusin seempuja a travs del dado. Aunque la presencia de esfuerzos detensin es obvia en el estirado, la compresin tambin juega unpapel importante ya que el metal se comprime al pasar a travsde la abertura del dado. Por esta razn, la deformacin queocurre en estirado se llama algunas veces compresin indirecta.


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Estirado de barras, varillas o alambre


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La diferencia bsica entre el estirado de barras y el estirado dealambre es el dimetro del material que se procesa. El estiradode barras se refiere al material de dimetro grande, mientrasque el estirado de alambre se aplica al material de dimetro

pequeo. En el proceso de estirado de alambres se pueden

alcanzar dimetros hasta de 0.03 mm. Aunque la mecnica delproceso es la misma para los dos casos, el equipo y laterminologa son de alguna manera diferentes.


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El estirado de barras se realiza generalmente como unaoperacin de estirado simple, en la cual el material se jala a

travs de la abertura del dado. Debido a que el material inicialtiene un dimetro grande, su forma es ms bien una piezarecta que enrollada. Esto limita la longitud del trabajo quepuede procesarse y es necesaria una operacin tipo lote, Por el

contrario, el alambre se estira a partir de rollosde alambre que miden varios cientos (o miles) de metros delongitud y pasa a travs de una serie de dados de estirado. Elnmero de dados vara entre cuatro y doce. El trmino estiradocontinuo (en ingls, continuous drawing) se usa para describireste tipo de operacin, debido a las grandes corridas deproduccin que pueden realizarse con los rollos de alambre, yaque pueden soldarse a tope con el siguiente rollo para hacer laoperacin verdaderamente continua.


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En una operacin de estirado, la modificacin en eldimetro del material de trabajo se da generalmente por la

reduccin de rea definida como sigue:

En el estirado de barras, estirado de varillas y en el estiradode alambre de dimetro grande para operaciones de

recalcado y forjado de cabezas se usa el trmino draft paradenotar la diferencia de tamaos antes y despus deprocesar el material de trabajo, El draft es simplemente ladiferencia entre eldimetro original y final del material:

d = Do

Df Donded = draft, (mm)

Do = dimetro original del trabajo. (mm)Df = dimetro final del trabajo, (mm).

Anlisis del estirado


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Anlisis del estirado

En esta seccin revisaremos la mecnica del estirado de

alambres y barras, y el clculo de esfuerzos y fuerzas en elproceso. Consideraremos tambin la posibilidad de grandesreducciones en las operaciones de estirado.

Mecnica del estiradoSi no ocurre friccin o trabajo redundante en el estirado ladeformacin real puede determinarse como sigue:

Donde

Ao y Af son las reas original y final de la seccintransversal del material de trabajo, como se definieronpreviamente; y r = reduccin del estirado, definida en laecuacin anterior.


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El esfuerzo que resulta de esta deformacin ideal est dadopor:

DondeYf = esfuerzo de fluencia promedio, basado en el valor de la

deformacin de la ecuacin anterior.

Debido a que la friccin est presente en el estirado y aunque elmetal de trabajo experimenta deformacin no homognea el


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j p gverdadero esfuerzo es ms grande que el proporcionado por laecuacin anterior. Adems de la relacinAo/Af, otras variables

que tienen influencia en el esfuerzo del estirado son elngulo deldado y el coeficiente de friccin en la interface trabajo-dado. Sehan propuesto numerosos mtodos para predecir el esfuerzo deestirado con base en los valores de estos parmetros [1, 2, 3 y 6].

Presentarnos a continuacin la ecuacin sugerida por Schey.

Dondes d = esfuerzo de estirado (MPa);m = coeficiente de friccin dado-trabajo;

a = ngulo del dado (medio ngulo) como se define en la figura3.46,f = es un factor que se usa para deformacin no homognea elcual se determina para una seccin

transversal redonda como:

Donde


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DondeD = dimetro promedio del material de trabajo durante elestirado, (mm)

L = longitud de contacto del material de trabajo con el dado deestirado en la figura. Losvalores de D y L, se puedendeterminar de las siguientes ecuaciones:

La fuerza correspondiente al estirado es entonces, el rea de laseccin transversal del material estirado multiplicada por elesfuerzo de estirado:DondeF = fuerza de estirado, (N); los otros trminos se definieron

previamente.

Reduccin mxima por pase


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Reduccin mxima por pase

por qu se necesita ms de un paso para alcanzar la reduccin deseada en

el estirado de alambre?, por qu no se hace la reduccin entera en un solopaso como se hace en la extrusin? La respuesta es clara, de las ecuacionesprecedentes, si la reduccin se incrementa, tambin los esfuerzos deestirado aumentan. Sila reduccin es lo suficientemente grande, los esfuerzos de estiradoexcederan la resistencia a la fluencia del material que sale. Cuando estopasa, el alambre estirado simplemente se alarga, en lugar de que el nuevomaterial se comprima a travs de la abertura del dado. Para que el estiradode alambre sea exitoso, el esfuerzo mximo de estirado debe ser menorque el esfuerzo de fluencia del material que sale. Es fcil determinar esteesfuerzo de estirado mximo y la posible reduccin mxima que puede

hacerse en un paso bajo ciertas suposiciones. Supongamos un metalperfectamente plstico (n = 0), sin friccin y sin trabajo redundante. Eneste caso ideal, el esfuerzo de estirado mximo posible es igual a laresistencia a la f luencia del material de trabajo. Si expresarnos esto usandola ecuacin para el esfuerzo de estirado bajo condiciones de deformacin

ideal, ecuacin anterior, e igualamos Yf = Y (porque n = 0):


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Prctica del estirado

El estirado se realiza generalmente como una operacin de trabajo enfro. Se usa ms frecuentemente para producir secciones redondas, perotambin se pueden estirar secciones cuadradas y de otras formas. Elestirado de alambre es un proceso industrial importante que proveeproductos comerciales como cables y alambres elctricos; alambre paracercas, etc.; varillas para producir clavos, tornillos, remaches resortes yotros artculos de ferretera. El estirado de barras se usa para producirbarras de metal para maquinado y para otros procesos.Las ventajas del estirado en estas aplicaciones incluyen: 1) estrechocontrol dimensional, 2) buen acabado de la superficie, 3) propiedadesmecnicas mejoradas, como resistencia y dureza, 4) adaptabilidad para

produccin econmica en masa o en lotes. Las velocidades de estiradoson tan altascomo 50 m/s para alambre muy fino. En el caso del estirado de barras seproduce material para maquinado, la operacin mejora lamaquinabilidad de las barras.


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Banco de estirado operado hidrulicamente paraestirado de barras metlicas.


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Equipo de estirado

El estirado de barras se realiza en una mquina llamada bancode estirado que consiste en una mesa de entrada, un bastidorpara dado (que contiene el dado de estirado), la corredera y elarmazn de salida, El arreglo se muestra en la figura anterior.

La corredera se usa para jalar el material a travs del dado deestirado. Est accionado por cilindros hidrulicos o cadenasmovidas por un motor. El bastidor del dado se diseafrecuentemente para contener ms de un dado, de manera

que se puedan estirar varias barras simultneamente a travsde los respectivos dados.


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Estirado continuo de alambre


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El estirado del alambre se hace con mquinas estiradorascontinuas que contienen mltiples dados de estiradoseparados por tambores de acumulacin, como se ilustra enla figura anterior. Cada tambor, llamado cabestrante omolinete, es movido por un motor que provee la fuerzaapropiada para estirar elalambre a travs del dado

correspondiente. Tambin mantiene una tensin regular enel alambre que pasa al siguiente dado de estirado. Cada dadorealiza una cierta reduccin en el alambre, y as se alcanza lareduccin total deseada. Algunas veces se requiere recocido

del alambre entre los grupos de dados, dependiendo delmetal que se procesa y de la reduccin total que se realiza.

Dados de estirado


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Dados de estirado

La figura siguiente identifica las caractersticas de un dado tpico de estirado.

Lascuatro regiones del dado que se pueden distinguir son las siguientes: 1)entrada, 2) ngulo de aproximacin, 3) superficie del cojinete (campo), 4)relevo de salida. La regin de entrada es generalmente una abertura en formade campana que no entra en contacto con el material de trabajo. Su propsito

es hacer un embudo lubricante en el dado y prevenir el rayado en la superficiedel material de trabajo. La aproximacin es donde ocurre el proceso deestirado. Es una abertura en forma de cono con un ngulo (medio ngulo) queflucta normalmente de 6 a 20. El ngulo correcto vara de acuerdo almaterial de trabajo, La superficie del cojinete o campo determina el tamao

final del material estirado. Finalmente el relevo de salida es la ltima zona. Seprovee con un relevo hacia atrs con un ngulo de 30. Los dados de estiradose hacen de acero de herramienta o carburo cementado Los dados para alta

velocidad en las operaciones de estirado de alambre usan frecuentementeinsertos hechos de diamante (sinttico o natural) para las superficies dedesgaste.


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Dado de estirado para barras redondas o alambre.

P i d l i l d b j A d l i d


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Preparacin del material de trabajo Antes del estirado

el material inicial debe prepararse adecuadamente. Esto involucra tres

pasos: 1) recocido, 2) limpieza y 3) afilado. El propsito del recocido esincrementar la ductilidad del material para aceptar la deformacin duranteel estirado. Algunas veces se necesitan pasos de recocido en el estiradocontinuo, La limpieza del material se requiere para prevenirdaos en lasuperficie del material de trabajo y en el dado de estirado. Esto involucra la

remocin de los contaminantes de la superficie (por ejemplo, capas de xidoy corrosin) por medio de baos qumicos o limpieza con chorro demuniciones. En algunos casos se prelubrica la superficie de trabajo despusde la limpieza. El afilado implica la reduccin del dimetro del extremoinicial del material de manera que pueda insertarse a travs del dado de

estirado para iniciar el proceso, esto se logra generalmente medianteestampado, laminado o torneado. El extremo afilado del material se sujeta alas mordazas de la corredera o a otros dispositivos para iniciar el proceso deestirado.


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Estirado de tubos

El proceso de estirado se puede usar para reducir eldimetro o el espesor de la pared de tubos sin costura ycaos, despus que se ha producido el tubo inicial por

medio de alguna otra operacin como extrusin. Elestirado del tubo se puede llevar a cabo con o sin unmandril. El mtodo ms simple no usa mandril y se aplicapara la reduccin del dimetro como se muestra en lafigura siguiente. Algunas veces se usa el trmino entalladode tubo para esta operacin.


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Estirado de tubos sin mandril (entallado de tubos).

El problema que surge cuando el tubo se estira sin utilizar


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El problema que surge cuando el tubo se estira sin utilizarun mandril, como se muestra en la figura anterior, es quecarece de control sobre el dimetro interno y sobre elespesor de la pared del tubo. Por esto se usan mandriles de

varios tipos, dos de los cuales se ilustran en la figurasiguiente. En la parte (a) de la figura se usa un mandril fijoajustado a un barra de soporte largo para fijar el dimetro

interior y el espesor de la pared del tubo durante laoperacin. Las limitaciones prcticas sobre la longitud de labarra de soporte en este mtodo restringen la longitud delos tubos que pueden estirarse. El segundo tipo que se

muestra en la parte (b) usa un tapn flotante cuya forma sedisea de manera que encuentre su posicin natural en lazona de reduccin del dado. Este mtodo evita laslimitaciones sobre la longitud de trabajo que presenta elmtodo del mandril fijo.


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Estirado de tubos con mandriles (a) mandril fijo

y (b) tapn flotante


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2.4 Extrusion


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EXTRUSION

La extrusin es un proceso de formado por compresin, en el cual elmaterial de trabajo es forzado a fluir a travs de la abertura de un dadopara darle forma a su seccin transversal. El proceso puede parecerse aapretar un tubo de pasta de dientes. Las ventajas de los procesosmodernos incluyen: 1) se puede extruir una gran variedad de formas,

especialmente con extrusin en caliente; sin embargo, una limitacin es lageometra de la seccin transversal que debe ser la misma a lo largo detoda la parte; 2) la estructura del grano y las propiedades de resistencia semejoran con la extrusin en fro o en caliente; 3) son posibles toleranciasmuy estrechas, en especial cuando se usa extrusin en fro; 4) en algunasoperaciones de extrusin se genera poco o ningn material dedesperdicio.


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Tipos de extrusin

La extrusin se lleva a cabo de varias maneras. Una formade clasificar a estas operaciones es atendiendo a suconfiguracin fsica, se distinguen dos tipos principales:

extrusin directa y extrusin indirecta. Otro criterio es latemperatura de trabajo: en fro, en tibio o en caliente.Finalmente el procesode extrusin puede ser continuo o discreto.


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Extrusin directa versus extrusin indirecta

La extrusin directa (tambin llamada extrusinhacia adelante) se ilustra en la figura siguiente. Un tochode metal se carga a un recipiente y un pisn comprime elmaterial forzndolo a fluir a travs de una o ms aberturas

que hay en un dado situado al extremo opuesto delrecipiente. Al aproximarse el pisn al dado, una pequeaporcin del tocho permanece y no puede forzarse a travsde la abertura del dado. Esta porcin extra llamada tope o

cabeza, se separa del producto, cortndola justamentedespus de la salida del dado.


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Extrusin directa


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Un problema en la extrusin directa es la gran friccin queexiste entre el tocho y la pared interna del recipiente al forzar

el deslizamiento del tocho hacia la abertura del dado. Estafriccin ocasiona un incremento sustancial de la fuerzarequerida en el pisn para la extrusin directa. En la extrusinen caliente este problema se agrava por la presencia de una

capa de xido en la superficie del tocho que puede ocasionardefectos en los productos extruidos. Para resolver esteproblema se usa un bloque simulado entre el pisn y el tochode trabajo, el dimetro del bloque es ligeramente menor que eldimetro del tocho, de manera que en el recipiente queda unanillo metal de trabajo (capas de xido en su mayora),dejando el producto final libre de xidos.

E l t i di t d h i h ( j l


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En la extrusin directa se pueden hacer secciones huecas (por ejemplo,tubos) por medio del proceso que se ilustra en la figura siguiente. Eltocho inicial se prepara con una perforacin paralela a su eje.Esto permite el paso de un mandril que se fija en el bloque simulado.

Al comprimir el tocho, se fuerza al material a fluir a travs del claroentre el mandril y la abertura del dado. La seccin transversalresultantees tubular. Otras formas semihuecas se extruyen usualmente de esta

misma manera. El tocho inicial en la extrusin directa es generalmenteredondo, pero la forma final queda determinada por la abertura deldado. Obviamente la dimensin ms grande de la abertura del dadodebe ser ms pequea que el dimetro del tocho. La extrusin directahace posible una infinita variedad de

formas en la seccin transversal. Algunas posibilidades se ilustran en lafigura siguiente.


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(a) Extrusin directa para producir una seccin transversal hueca o semihueca;(b) hueca y (c) semihueca


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En la extrusin indirecta, tambin llamada extrusinhacia atrs o extrusin inversa (figura siguiente), el dadoest montado sobre el pisn, en lugar de estar en elextremo opuesto del recipiente. Al penetrar el pisn en elmaterial de trabajo fuerza al metal a fluir a travs delclaro en una direccin opuesta a la del pisn. Como el

tocho no se mueve con respecto al recipiente, no hayfriccin en las paredes del recipiente. Por consiguiente,la fuerza del pisn es menor que en la extrusin directa.Las limitaciones de la extrusin indirecta son impuestas

por la menor rigidez del pisn hueco y la dificultad desostener el producto extruido tal como sale del dado.


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Extrusin indirecta para producir

una seccin transversal slida.

L i i di d d i i h l d l


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La extrusin indirecta puede producir secciones huecas, como las de lafigura siguiente. En este mtodo el pisn presiona en el tocho, forzando al

material a fluir alrededor del pisn y tomar una forma de copa. Haylimitaciones prcticas en la longitud de la parte extruida que puedenresolverse por este mtodo. El sostenimiento del pisn se convierte en unproblema a medida que la longitud del trabajo aumenta.

Extrusin indirecta para producir una seccin transversal hueca.

Extrusin en fro versus extrusin en caliente


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La extrusin se puede realizar ya sea en fro o en caliente,

dependiendo del metal de trabajo y de la magnitud de ladeformacin a que se sujete el material durante el proceso.Los metales tpicos que se extruyen en caliente son:aluminio, cobre, magnesio, zinc, estao y sus aleaciones.

Estos mismos materiales se extruyen algunas veces en fro.Las aleaciones de acero se extruyen usualmente en caliente,aunque los grados mas suaves y ms dctiles se extruyenalgunas veces en fro (por ejemplo, aceros de bajo carbono yaceros inoxidables). El aluminio es probablemente el metalideal para extrusin (en caliente o en fro), muchosproductos comerciales de aluminio se hacen por esteproceso (por ejemplo, perfiles estructurales y marcos, parapuertas y ventanas).

L t i li t i l l l t i t i d l


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La extrusin en caliente involucra el calentamiento previo deltocho a una temperatura por encima de su temperatura de

cristalizacin. Esto reduce la resistencia y aumenta laductilidad del metal, permitiendo mayores reducciones detamao y el logro de formas ms complejas con este proceso.Las ventajas adicionales incluyen reduccin de la fuerza en el

pisn, mayor velocidad del mismo y reduccin de lascaractersticas del flujo de grano en el producto final. Lalubricacin es un aspecto crtico de la extrusin en calientede ciertos metales (por ejemplo acero), y se han desarrolladolubricantes especiales que son efectivos bajo las condiciones

agresivas de la extrusin en caliente. Algunas veces se usa elvidrio como lubricante de la extrusin en caliente; adems dereducir la friccin proporciona aislamiento trmico efectivoentre el tocho y el recipiente de extrusin.


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En general, la extrusin en fri y la extrusin en tibio se usan

para producir partes discretas, frecuentemente en formaterminada (o en forma casi terminada). El trmino extrusinpor impacto se usa para indicar una extrusin fra de alta

velocidad. Algunas ventajas importantes de la extrusin enfro incluyen mayor resistencia debida al endurecimiento pordeformacin, tolerancias estrechas, acabados superficialesmejorados, ausencia de capas de xidos y altas velocidadesde produccin. La extrusin en fro a temperatura ambienteelimina tambin la necesidad de calentar el tocho inicial.
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Metales que son comnmente usados en procesos de extrusin:[9] Aluminio : es el material ms comn, puede ser extruido caliente o fro. si es

extruido caliente es calentado de 575 a 11 00 F (300 a 600 C) . Ejemplos de esteproducto incluye armaduras, marcos, barras y disipadores de calor entre otros.

Cobre (1100 a 1825 F (600 a 1000 C)) caeras, alambres, varas, barras, tubos yelectrodos de soldadura. A menudo se requieren 100 ksi (690 MPa) paraextrudir el cobre.

Plomo yestao ((mximo 575 F (300 C)) caeras, alambres, tubos y forrosexteriores de cables. La fundicin de plomo tambin es usada en vez del

prensado de extrusin vertical. Magnesio ((575 a 1100 F (300 a 600 C)) en partes de aviones y partes deindustrias nucleares.

Zinc ((400 a 650 F (200 a 350)), varas, barras, tubos, componentes dehardware, montajes y barandales

Acero (1825 a 2375 F (1000 a1300 C)) varas y pistas, usualmente el carbnacerado simple es extruido. La aleacin acero y acero inoxidable tambin puede

ser extruida. Titanio ((1100 a 1825 F (600 a 1000 C)) componentes de aviones, asientos,

pistas, anillos de arranques estructurales.
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Temperaturas de varios metales en la extrusin en caliente[Material Temperatura [C (F)]

Magnesio 350-450 (650-850)

Aluminio 350-500 (650-900)

Cobre 600-1100 (1200-2000)

Acero 1200-1300 (2200-2400)

Titanio 700-1200 (1300-2100)

1000-1200 (1900-2200)

Aleaciones Refractarias Mayores a 2000 (4000)

Procesamiento contino versus procesamiento discreto


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Procesamiento contino versus procesamiento discreto

Un verdadero proceso continuo opera con estabilidad por unperiodo indefinido de tiempo. Algunas operaciones deextrusin se aproximan aeste ideal, produciendo secciones muy largas en un solo ciclo,pero estas operaciones quedan al fin limitadas por el tamaodel tocho que se puede cargar en el contenedor de extrusin.Estos procesos se describen ms precisamente comooperaciones semicontinuas. En casi todos los casos lassecciones largas se cortan en longitudes ms pequeas en

una operacin posterior de corte o aserrado.En una operacin discreta se produce una sola parte o piezaen cada ciclo de extrusin. La extrusin por impacto es unejemplo de este caso de procesamiento discreto.

Anlisis de la extrusin


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Usaremos la figura siguiente como referencia para nuestra revisin de

algunos parmetros de extrusin. El diagrama asume que tanto el tochocomo la extrusin tienen una seccin redonda transversal.

Presin y otras variables en la extrusindirecta.


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Dados y prensas de extrusinLos factores importantes en un dado de extrusin son el ngulo del dado y laforma del orificio. El ngulo del dado, ms precisamente la mitad del ngulodel dado, es el ngulo a de la figura siguiente(a). Para ngulos menores, elrea superficial del dado aumenta, as como tambin la friccin en lainterfase dado-tocho. Mayor friccin significa mayor fuerza en el pisn. Porotra parte, un ngulo grande del dado

ocasiona mayor turbulencia del flujo de metal durante la reduccin, ytambin incremento en la fuerza requerida del pisn. El efecto del ngulodel dado sobre la fuerza del pisn es una funcin en forma de U como semuestra en la figura (b). Existe un ngulo ptimo del dado, como lo sugierenuestra grfica hipottica. Este ngulo depende de varios factores como

material de trabajo, temperatura del tocho ylubricacin; en consecuencia, es difcil determinarlo para un trabajo deextrusin. Los diseadores de dados usan reglas empricas para decidir elngulo apropiado.


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(a) Definicin del ngulo del dado en extrusindirecta, (b) efecto del ngulo del dado sobre la fuerzadel pisn.


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Una extrusin de seccin transversal

compleja para un disipador de calor


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Otros procesos de extrusin

Los mtodos principales de extrusin son la extrusin directae indirecta. Hay varios nombres que se dan a algunas

operaciones especiales de extrusin directa o indirecta cuyosmtodos se describen aqu. Otras operaciones de extrusinson nicas. En esta seccin examinamos estas formas deextrusin y los procesos relacionados.


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La extrusin por impacto

La extrusin por impacto se realiza a altas velocidades ycarreras ms cortas que la extrusin convencional. Se usapara hacer componentes individuales. Como su nombre lo

indica, el punzn golpea a la parte de trabajo ms queaplicar presin. La extrusin por impacto se puede llevar acabo como extrusin hacia adelante, extrusin hacia atrs ouna combinacin de ambas.


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La extrusin por impacto se hace usualmente en fro, con

varios metales, la extrusin por impacto hacia atrs es lams comn. Los productos hechos por este procesoincluyen tubos para pastas de dientes y cajas de bateras.Estos ejemplos muestran que se pueden hacer paredes

muy delgadas en las partes extruidas por impacto. Lascaractersticas de alta velocidad del proceso por impactopermiten grandes reducciones y altas velocidades deproduccin, de aqu su alta importancia comercial.


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Varios ejemplos de extrusin por impacto: (a) haciadelante (b) hacia atrs y (c) combinacin de las dos.

Extrusin hidrosttica


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Extrusin hidrosttica

Un problema de la extrusin directa es la friccin a lo largo de lainterfasetocho-contenedor. Este problema se puede solucionar utilizando un fluidoen el interior del contenedor y ponerlo en contacto con el tocho, luegopresionar el f luido con el movimiento hacia adelante del pisn. De talmanera que no exista friccin dentro del recipiente y se reduzca tambin la

friccin en la abertura del dado. La fuerza del pisn es entonces bastantemenor que en la extrusin directa. La presin del f luido que acta sobretodas las superficies del tocho da su nombre al proceso. Se puede llevar acabo a temperatura ambiente o a temperaturas elevadas. Para temperaturaselevadas se necesitan f luidos y procedimientos especiales. La extrusin

hidrosttica es una adaptacin de la extrusin directa.

La presin hidrosttica sobre el material de trabajo


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La presin hidrosttica sobre el material de trabajoincrementa la ductilidad del material. Por consiguiente, este

proceso se puede usar con metales que son demasiadofrgiles para operaciones de extrusin convencional. Losmetales dctiles tambin pueden extruirsehidrostticamente y es posible una

alta relacin de reduccin en esos materiales. Unadesventaja del proceso es que se requiere preparar los tochosinciales de trabajo. El tocho debe formarse con un huso enuno de sus extremos para ajustarlo al ngulo de entrada deldado. ste acta como un sello que previene fugas del fluido

a travs de la abertura del dado, al iniciar la presurizacindel recipiente.


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Extrusin hidrosttica.

Defectos en productos extruidos


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Defectos en productos extruidos

Debido a la considerable deformacin asociada a lasoperaciones de extrusin, pueden ocurrir numerosos defectosen los productos extruidos.


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Reventado central. Este defecto es una grieta interna que se desarrollacomo resultado de los esfuerzos de tensin pueden parecer

improbables en un proceso de compresin como la extrusin, tiendena ocurrir bajo condiciones que ocasionan gran deformacin enregiones de trabajo apartadas del eje central. El movimiento dematerial ms grande en las regiones exteriores, estira el material a lolargo del centro de la pieza de trabajo. Si los esfuerzos son lo

suficientemente grandes, ocurre el reventado central. Las condicionesque promueven estas fallas son los ngulos incorrectos del dado, lasbajas relaciones de extrusin y las impurezas del metal de trabajo quesirven como puntos de inicio para las grietas. Lo difcil del reventadocentral es su deteccin. Es un defecto interno que no se observa

generalmente por inspeccin visual. Otros nombres que se usan paraeste efecto sonfractura de punta de flecha, agrietado central yagrietado tipo chevron.

Tubificado (bolsa de contraccin). La tubificacin es un defecto asociadol i di C d i l fi (b)


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con la extrusin directa. Como se puede apreciar en la figura (b), es unhundimiento en el extremo del tocho. El uso de un bloque simulado, cuyo

dimetro sea ligeramente menor que el del tocho, ayuda a evitar latubificacin. Otros nombres que se dan a este defecto son cola de tubo ycola de pescado.

Agrietado superficial. Este defecto es resultado de las altas temperaturas dela pieza de trabajo que causan el desarrollo de grietas en la superficie;ocurre frecuentemente cuando la velocidad de extrusin es demasiado alta

y conduce a altas velocidades de deformacin asociadas con generacin decalor. Otros factores que contribuyen al agrietamiento superficial son la altafriccin y el enfriamiento rpido de la superficie de los tochos a altastemperaturas en la extrusin en caliente.


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Algunos defectos comunes en extrusin: (a) reventadocentral, (b) tubificacin (bolsa de contraccin) y (c)

Unidad II Procesos de Manufactura

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