Procesos de conformado de metales

Los procesos de conformado de metales comprenden un amplio grupo de procesos de manufactura, en los cuales se usa la deformación plástica para cambiar las formas de las piezas metálicas. Debido a que los metales deben ser conformados en la zona de comportamiento plástico, es necesario superar el límite de fluencia (deformación irreversible) para que la deformación sea permanente. Por lo cual, el material es sometido a esfuerzos superiores a sus límites elásticos, estos límites se elevan consumiendo así la ductilidad (deformación sostenible sin fractura).

Entre los procesos de conformado más utilizados en la fabricación de productos de metal se encuentran:

CURVADO (DOBLADO) Y ROLADO (CALANDRADO) DE TUBOS Y PERFILES

Curvado (doblado) de tubos y perfiles metálicosEn esencia, el curvado se describe como el conformado de un tubo o un perfil, con un radio de curvatura relativamente estrecho; que en relación con el diámetro del tubo, puede variar desde un mínimo de 1,5 veces su diámetro hasta un máximo de 5 veces. El curvado de un tubo metálico se realiza con máquinas especiales llamadas máquinas dobladoras. La forma de la matriz de doblado previamente instalada en la máquina dobladora se transfiere al tubo metálico.

El aspecto más difícil del curvado de un tubo metálico consiste en evitar al máximo las deformaciones no deseadas. Estas se presentan inevitablemente en todo tubo metálico cuando es doblado de forma mecánica.

Las deformaciones alteran el tubo solamente en el área donde fue doblado, en especial, en las partes exterior e interior del doblez; como puede apreciarse en la siguiente imagen.

La pared interior, marcada en rojo en la imagen, corresponde a la parte interna del doblez y es una zona sometida a tensiones de compresión debido a la diferencia en el desarrollo lineal entre el radio medio y el radio interno. Es aquí donde, en casos críticos, se presenta un «arrugado» en el material, de modo que se presentan pliegues más o menos evidentes en el tubo de acero.

La parte amarilla, llamada pared exterior, se encuentra, en cambio, sometida a tensiones de tracción o de alargamiento, que provocan un adelgazamiento del espesor del tubo de acero tras ser doblado.El eje neutro es, a su vez, un estado libre de tensiones que, contrario a lo que pudiera suponerse, no se encuentra en la zona media del tubo, sino que debido a una compensación de los estados de tensión de la pieza, normalmente tiende a desplazarse en la zona interna del doblez hacia la pared interior.

Los factores a tomarse en cuenta para mejorar la calidad del doblez de un tubo de acero son:

Relación entre el radio de curvatura medio y el diámetro/espesor del tubo Elongación del material Retorno elástico Estética

Equipo necesario para el curvado de tubos

Para la configuración de una máquina dobladora, ya sea mecánica o CNC, es necesario preparar una herramienta común que normalmente consta de los siguientes componentes:

Matriz de doblado Brida (solo para tubos cuadrados y rectangulares) Mordaza exterior Mordaza interior Mandril fijo o móvil (según la dificultad de la curva) Zapata de barrido Dado alisador (solo para curvas difíciles de realizar)

¿Qué tubos de acero pueden ser curvados? Tubos redondos desde Ø4 mm hasta Ø140 mm Tubos cuadrados/rectangulares con una sección transversal de 10 x 10 mm hasta 120 x 120 (rectangulares con

espesor y ancho dentro de este rango de mm) Diversos tipos de perfiles

Rolado (calandrado) de tubos y perfiles metálicosEl rolado de tubos es un proceso mediante el cual se logra un conformado en frío con radios de curvatura

amplios que en teoría van desde las 5 veces el diámetro del tubo hasta el infinito.  Para llevar a cabo este proceso se utilizan máquinas denominadas roladoras o calandrias.

El tubo de acero se hace pasar, una o varias veces (según la dificultad del curvado), por un grupo de tres rodillos que crea un doblez con el radio de curvatura requerido.

El calandrado de tubos – también llamado rolado – es normalmente más fácil que el curvado.La particularidad de este proceso mecánico es la posibilidad de obtener, con una sola máquina herramienta,

varios radios de curvado en un mismo tubo; lo que hace posible la creación de geometrías complejas.La desventaja del calandrado consiste en que una calandria requiere un tozo de material adicional al principio y al final del tubo, para tener un buen agarre al comenzar el proceso. Esto conlleva a un aumento de la cantidad total de metal necesario para el calandrado del tubo.

Roladora (calandria)La roladora – también llamado calandria – es una máquina caracterizada por la presencia de tres árboles. En

cada uno de estos árboles se encuentra un rodillo con la forma del tubo o el perfil que se quiere doblar.Este tipo de máquina trabaja de manera hidráulica. Las calandrias digitales modernas están equipadas con

una pantalla para la lectura de datos y mediciones. También es posible llevar a cabo el procesamiento de los tubos tanto en modalidad manual como automática. Tanto la velocidad de los árboles como el espacio entre los rodillos es ajustable

¿Qué tubos de acero pueden ser rolados? Tubos redondos desde Ø11 mm hasta Ø154 mm Tubos cuadrados/rectangulares con una sección transversal de mínimo 6×6 mm hasta 150×100 mm Diversos tipos de perfiles

Equipo necesario para el rolado de tubosEl calandrado es un proceso de conformado de tubos más simple que el curvado y no requiere de mucho

equipo. De hecho, basta con tres rodillos especialmente formados para cada sección de tubo o perfil, a través de los cuales se hace pasar el metal para darle al tubo la forma requerida. El conformado del tubo se lleva a cabo en frío.

Para perfiles metálicos abiertos existen, en cambio, dos soluciones: La fabricación de rodillos especiales para la forma determinada del perfil. (Por lo general, para perfiles de aluminio

complejos). La elaboración de piezas de nailon que, combinadas con el perfil a rolar, «simulan» un perfil cilíndrico cerrado.

Para tubos difíciles de conformar, en los que la estética puede verse comprometida, se utilizan, en su lugar, microesferas. Estas no son realmente un accesorio, sino un polvo a base de microesferas, con el que se llena el tubo que será calandrado; después de haber cerrado los extremos del tubo, puede procederse con el rolado. Este proceso es muy laborioso y costoso.

¿Qué metales pueden curvarse y rolarse?Normalmente, pueden curvarse y rolarse los siguientes tubos metálicos:

Tubos de acero Tubos de acero inoxidable Tubos de aluminio

Muy rara vez, los tubos y perfiles de las siguientes aleaciones metálicas son doblados y calandrados:

Tubos de titanio – sobre todo, en el sector automovilístico. Tubos de latón – en placas delgadas o cuadrados macizos, que suelen emplearse en el sector de la iluminación.

¿Curvado o rolado?Como hemos visto anteriormente, la diferencia más importante entre el doblado y el rolado, es el radio de

curvatura – estrecho o amplio – del tubo.La segunda diferencia radica en que solamente por medio del doblado es posible doblar un mismo tubo

metálico, con distintos radios de curvatura. En este sentido se habla de un radio de curvatura variable.Para obtener una mejor idea del radio mínimo de rolado, se debe multiplicar por cinco el diámetro del tubo.

Así por ejemplo, si el diámetro del tubo es de Ø50 mm, el radio de calandrado mínimo será de 250 mm. Para obtener un radio de curvatura del tubo inferior a este valor, será necesario doblar el tubo con una máquina dobladora CNC.El radio mínimo de curvatura se calcula con una fórmula especial con la que se obtiene un coeficiente; que de ser mayor a un cierto valor, determina la viabilidad de la curvatura para un determinado radio.Durante el curvado del acero, el uso de dispositivos especiales contribuye a la calidad del tubo doblado, especialmente en los casos en los que el coeficiente antes mencionado está en el límite de la viabilidad de producción.¿Es posible curvar y calandrar el mismo tubo?

El curvado y el calandrado son procesos de conformado de tubos, que pueden ser combinados; a veces, algunos proyectos requieren el uso de ambas técnicas. Un ejemplo son los perfiles de acero para las  cabinas del las máquinas agrícolas; cuya forma, con frecuencia requiere tanto el curvado como el calandrado de los tubos que la componen. Ambas técnicas de procesamiento y doblado se emplean también de forma combinada para los mangos de muchos equipos de ejercicio que se encuentran en los gimnasios.

En el pasado, los componentes del tubo metálico se doblaban y se rolaban por separado y posteriormente se soldaban. Hoy en día, el conformado se lleva a cabo en un solo proceso sin necesidad de soldar el tubo. De este modo, se reducen los procesos de producción y se evita el riesgo de grietas en las uniones.

Este tipo de combinación puede llevarse a cabo, ya sea doblando primero el tubo en una máquina y realizando el rolado en otra o realizando ambos procesos con una sola máquina dobladora CNC. Con las máquinas dobladoras CNC modernas es posible montar tanto los accesorios de curvado como los de calandrado. De esta manera, es posible crear geometrías complejas y se reduce el tiempo que sería necesario para la preparación de dos máquinas.

PLEGADO (DOBLADO) DE CHAPAS

El plegado o doblado de chapa, es un proceso de conformado que produce deformación plástica sobre un eje. El plegado generalmente no produce cambios en el grosor de la chapa. En la industria es un proceso muy utilizado para aportar resistencia y rigidez a la chapa metálica, para cambiar el momento de inercia de ésta o para mejorar la apariencia del producto. Para llevar a cabo este proceso se utiliza un punzón y una matriz.

La deformación producida causa tensiones de tracción y compresión en el material. Pero esta deformación no siempre es completamente plástica, todos los metales tienen una zona elástica antes de producirse la deformación plástica, por esto cuando se retira la fuerza tiene lugar un efecto llamado retorno elástico. Este efecto consiste en la recuperación parcial de la pieza hacia su forma inicial cuando desaparecen las fuerzas de doblado. Para evitar el retorno elástico se emplean normalmente estos tres métodos:

Sobredoblado: Se calcula el retorno elástico y se pliega la chapa esta cantidad por encima del ángulo deseado.

Rebaje en la zona de compresión: al realizar este rebaje se elimina el retorno elástico al estar toda la sección de la chapa sometida a esfuerzos plásticos.

Estirado de la pieza: consiste en someter a la pieza de trabajo a un esfuerzo de tensión mientras está siendo doblada forzando así a la zona elástica pasando a ser plástica. Este método no se puede utilizar para ángulos agudos.

En el proceso de doblado de chapa se suelen utilizar herramientas y equipos estándar de punzón y matriz, permitiendo así un bajo coste inicial y haciendo a este proceso competitivo para bajos o medios volúmenes de producción. Para operaciones de plegado especializadas se pueden utilizar herramientas personalizadas, incrementando los costes iniciales pero haciéndose rentable para altos volúmenes de producción. El material de las herramientas es elegido en base al volumen de producción, el material a doblar y el ángulo de doblado.

Este proceso se puede utilizar con cualquier metal conformado en forma de chapa. Los más utilizados son:

Acero dulce Aceros inoxidables Aluminio y cobre de baja aleación Latón

CURVADO (CILINDRADO) DE CHAPAS

El curvado o cilindrado es la operación mediante la cual se da a la chapa una forma cilíndrica o cónica. El curvado de la chapa se obtiene ejerciendo esfuerzos de flexión de una intensidad tal que provoque una deformación permanente de la chapa según el radio de curvatura que se quiera dar .Esta deformación plástica se produce pasando la lámina de metal entre tres o cuatro rodillos, según el modelo de la cilindradora.

Tipos de curvados

El curvado puede ser abierto o cerrado y cilíndrico o cónico

Este proceso se puede utilizar con cualquier metal conformado en forma de chapa. Los más utilizados son:

Acero dulce Aceros inoxidables Aluminio Latón Cobre

ESTAMPACIÓN (ESTAMPADO) DE CHAPA

El conformado de chapa mediante estampación consiste en comprimir un determinado metal entre dos moldes. Existen dos tipos de estampación: la estampación progresiva y la estampación por percusión. En la progresiva, la compresión se aplica de forma continuada mientras que en la estampación por percusión, la presión se aplica de forma intermitente mediante una prensa o martillo.

Con la chapa, se suele utilizar la estampación en frio. La estampación en frio recibe ese nombre porque se realiza con el material a temperatura más baja que su temperatura de recristalización.

Para que este proceso resulte satisfactorio, la chapa debe ser de un metal dúctil y maleable, como por ejemplo acero al carbono, acero inoxidable, aluminio, cobre, latón, titanio, etc.

Las principales ventajas de la estampación son las siguientes. Las piezas pueden tener formas complejas, hay una gran variedad de materiales con los que se puede trabajar, y la producción de un número elevado de piezas tiene un bajo coste económico y laboral. Además, el acabado superficial es bueno aunque se puede tratar posteriormente para mejorar las propiedades.

Entre las desventajas de este proceso, destaca el hecho de que el espesor de la pieza puede que esté limitado. Además, se trata de un proceso con varias operaciones y fases.

EMBUTICIÓN (EMBUTIDO) DE CHAPA

La embutición es un proceso de conformado plástico para chapa metálica. Esta operación consiste en transformar una chapa metálica plana en una pieza tridimensional. Si la profundidad de la pieza embutida es mayor que su diámetro el proceso es llamado embutición profunda.

Para llevar a cabo la embutición se utiliza un conjunto de punzón y matriz. Dicho punzón tiene la forma deseada de la base de la pieza a conformar. La cavidad de la matriz coincide con la forma del punzón, siendo está un poco más ancha para permitir su paso y el del material dejando una holgura. Esta holgura debe ser suficiente para permitir el paso del material y evitar que este se corte en las zonas de mayor tensión.

La pieza de chapa en bruto se sujeta bajo presión sobre el orificio de la matriz. El punzón es empujado hacia la chapa, forzando a ésta última a obtener la forma de la cavidad de la matriz. Las piezas fabricadas mediante embutición no suelen tener formas complejas siendo necesario realizar el proceso en varias fases si estas lo fueran.

Para llevar a cabo este proceso industrial son necesarias prensas hidráulicas o mecánicas. Las prensas hidráulicas son capaces de controlar el soporte de la chapa aparte del punzón, mientras que las mecánicas aportan una mayor velocidad.

El embutido tiene un gran volumen de producción y una buena precisión dimensional, pero este proceso al ser de deformación plástica genera muchas tensiones en el material, pudiendo causar defectos como arrugas o fracturas. Para evitar esto es necesario asegurarse que tenemos una velocidad de embutido aceptable, una apropiada lubricación entre material y matriz y la fuerza correcta en el soporte.

Para este proceso los materiales deben ser dúctiles, maleables, con un bajo limite elástico y suficiente plasticidad para obtener la pieza deseada sin fracturas. Por estas razones los materiales más empleados son:

Aceros dulces

Aceros inoxidables austeniticos

Aleaciones de aluminio y cobre de baja aleación.

Latón

BORDONADO O BORDONEADO, REBORDEADO Y CERCADO

Se llama bordonado o bordoneado a cualquier moldura que se hace longitudinal o circularmente en una chapa metálica para que adquiera resistencia. Cuando se hace en el borde de la chapa se llama rebordeado. El cercado consiste en introducir un alambre o varilla en el borde efectuado.

Estas operaciones se pueden hacer sobre piezas planas o cilíndricas y se realizan por medio de máquinas especiales que trabajan de forma continua, con rodillos (moletas) entre los cuales se introduce la lámina metálica, produciendo así la deformación plástica en la sección comprimida entre los rodillos. Dependiendo de la forma de rodillos (moletas) se pueden hacer una gran variedad de molduras.

Este proceso se puede utilizar con cualquier metal conformado en forma de chapa. Los más utilizados son:

Acero dulce Aceros inoxidables Aluminio Latón