Biomateriales

3.2. DEFORMACIONVOLUMETRICAENELTRABAJODEMETALES

En general se menciona estos procesos cuando se tiene una parte inicial más voluminosa que laminar, y las deformaciones son significativas con referencia a su forma inicial.

Los procesos de deformación volumétrica que se describen en esta sección son: 1) laminado, 2) forjado, 3) extrusión, 4) estirado de alambre y barras. La sección también documenta las variantes y operaciones afines a estos cuatro procesos básicos que se han desarrollado a través de los años.

Estos proceso se pueden clasificar en: operaciones en frió o en caliente. Se realiza las operaciones en frió cuando la deformación no es tan significativa y se requiere mejorar las propiedades mecánicas de las partes con un buen acabado superficial. El trabajo en caliente se realiza cuando la deformación es significativa comparada con la parte original.

La importancia tecnológica y comercial de los procesos de deformación volumétrica deriva de lo siguiente:

• Con las operaciones de trabajo en caliente se pueden lograr cambios significativos en la forma de las partes de trabajo.

• Las operaciones de trabajo en frío se pueden usar no solamente para dar forma al trabajo, sino también para incrementar su resistencia.

• Estos procesos producen poco o ningún desperdicio como subproducto de la operación. Algunas operaciones de deformación volumétrica son procesos deforma neta o casi neta; se alcanza la forma final con poco o ningún maquinado posterior.

3.2.1. PRODUCTOS LAMINADOS

El laminado es un proceso de deformación en el cual el metal pasa entre dos rodillos y se comprime mediante fuerzas de compresión ejercidas por los rodillos. Los rodillos giran, como se ilustra en la figura 3.6, para jalar el material y simultáneamente apretarlo entre ellos. Un proceso estrechamente relacionado es el laminado de perfiles, en el cual una sección transversal cuadrada se transforma en un perfil, como por ejemplo un perfil I.

La mayoría de los procesos de laminado involucra una alta inversión de capital, ya que se requiere equipos pesados llamados molinos laminadores o de laminación, El alto costo de inversión requiere que la producción sea en grandes cantidades y por lo general artículos estándares como láminas y placas. La mayoría de los productos laminados se realizan en caliente debido a la gran cantidad de deformación requerida, y se le llama laminado en caliente. Los metales laminados en caliente están generalmente libres de esfuerzos residuales y sus propiedades son isotrópicas. Las desventajas del laminado en caliente son que el producto no puede mantenerse dentro de tolerancias adecuadas, y la superficie presenta una capa de óxido característica.

Examinemos la secuencia de pasos en un molino de laminación para ilustrar la variedad de productos que pueden hacerse. El trabajo empieza con un lingote de acero fundido y recién solidificado. Aún caliente, el lingote se coloca en un horno donde permanece por muchas horas, hasta alcanzar una

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temperatura uniforme en toda su extensión, para que pueda fluir consistentemente durante el laminado. Para el acero, la temperatura de laminación es alrededor de 1200 oC. La operación de calentamiento se llama recalentada, y los hornos en los cuales se lleva a cabo se llaman fosas de recalentamiento

FIGURA 3.6 Proceso de laminación, específicamente laminado plano.

FIGURA 3.7 Algunos productos de acero hechos en molino de laminación.

El lingote recalentado pasa al molino de laminación, donde se lamina para convertirlo en una de las tres formas intermedias llamadas lupias, tochos o planchas. Una lupia tiene una sección transversal cuadrada de 150 mm de lado o mayor. Un tocho se lamina a partir de una lupia, es de sección transversal

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cuadrada de 38 mm por lado o mayor. Una plancha se lamina a partir de un lingote o de una lupia y, tiene una sección rectangular de 250 mm de ancho o más, y un espesor de 38 mm o más. Estas formas intermedias se laminan posteriormente para convertirlas en productos finales.

Las lupias se laminan para generar perfiles estructurales y rieles para ferrocarril. Los tochos se laminan para producir barras y varillas. Estas formas son la materia prima para el maquinado, estirado de alambre, forjado y otros procesos de trabajo de metales. Las planchas se laminan para convertirlas en placas, láminas y tiras. Las placas laminadas en caliente se usan para la construcción de barcos, puentes, calderas, estructuras soldadas para maquinaria pesada, tubos y tuberías, y muchos otros productos. La figura 3.7 muestra algunos de estos productos laminados de acero.

3.2.1.1. Laminado plano y su análisis

FIGURA 3.8 Vista lateral del laminado plano indicando el espesor antes y después, las velocidades de trabajo, el ángulo de contacto con los rodillos y otras características.

El laminado plano se ilustra en las figuras 3.6. y 3.8. Involucra el laminado de planchas, tiras, láminas y placas, partes de trabajo de sección transversal rectangular con un ancho mayor que el espesor. En el laminado plano, se presiona el material de trabajo entre dos rodillos de manera que su espesor se reduce

Donde:

d = diferencia, (mm);

to = espesor inicial, (mm);

d=to −tf

(3.6)

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Capitulo III 151 tf = espesor final, (mm)

Algunas veces se expresa la diferencia d como una fracción del espesor inicial to llamada reducción r r = td (3.7)

o

Cuando se usa una serie de operaciones de laminado la reducción se toma como la suma de los adelgazamientos dividida entre el espesor original.

Además de reducir el espesor, el laminado incrementa usualmente el ancho del material de trabajo. Esto se llama esparcido y tiende a ser más pronunciado con bajas relaciones entre espesor y ancho, así como con bajos coeficientes de fricción. Existe la conservación del material, de tal manera que el volumen de metal que sale de los rodillos es igual al volumen que entra a los rodillos

towolo =tfwflf (3.8) wo, lo son ancho y largo iniciales de trabajo (mm),

Donde:

wf, lf son ancho y largo finales de trabajo (mm).

De igual forma, la velocidad volumétrica del material antes y después debe ser la misma, así que las velocidades pueden relacionarse antes y después de la siguiente manera:

towovo =tfwfvf (3.9) vo y vf son las velocidades de entrada y salida del material de trabajo.

Los rodillos entran en contacto con el material de trabajo, a lo largo de un arco de contacto definido por el ángulo θ . Cada rodillo tiene un radio R y su velocidad de rotación, tiene una velocidad superficial vr . Esta velocidad es mayor que la velocidad de trabajo vo y menor que la velocidad de salida v f . Como

el flujo de metal es continuo, hay un cambio gradual en la velocidad del material de trabajo entre los rodillos, Sin embargo, existe un punto a lo largo del arco donde la velocidad de trabajo se iguala la velocidad del rodillo. Este punto se llama punto de no deslizamiento, también conocido como punto neutro. A cualquier lado de este punto, ocurren deslizamientos con fricción entre el rodillo y el material de trabajo. La cantidad de deslizamiento entre los rodillos y el material de trabajo puede medirse por medio del deslizamiento hacia adelante, este término se usa en laminado y se define como:

Donde

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s=vf −vr vr

Donde

s = deslizamiento hacia adelante,

vf = velocidad final del trabajo (salida), (m/seg); vr = velocidad del rodillo (m/seg).

(3.10)

La deformación real, experimentada por el material de trabajo, se basa en el espesor del material antes y después del laminado. En forma de ecuación,

ε = ln to (3.11) f

Se puede usar la deformación real para determinar el esfuerzo de fluencia promedio Yf material de trabajo en el laminado plano. Recordando de la ecuación 3.2

Yf =Kεn (3.12) 1+n

aplicado al

El esfuerzo de fluencia promedio será útil para calcular las estimaciones de fuerza y potencia en laminado.

La fricción se presenta en el laminado con un cierto coeficiente de fricción, la fuerza de compresión de los rodillos, multiplicada por este coeficiente de fricción da por resultado una fuerza de fricción entre los rodillos y el material de trabajo. En el lado de la entrada, fuerza de fricción tiene una dirección; en el otro lado, tiene la dirección opuesta. Sin embargo, las dos fuerzas no son iguales. La fuerza de fricción es mayor en la entrada, de manera que la fuerza neta que jala el material de trabajo a través de los rodillos. El laminado no sería posible sin estas diferencias. Hay un límite para el máximo d posible que puede alcanzar el laminado plano con un coeficiente de fricción, dado por

Donde

dmax = diferencia máxima, (mm);

μ =coeficientedefricción

dmax =μ2R (3.13)

R = radio del rodillo, (mm).

La ecuación indica que si la fricción fuera cero, el adelgazamiento podría ser cero y esto haría

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