Formación de materiales

Mediante el trefilado se pueden producir alambres de diversos metales y aleaciones con diferentes secciones transversales y tamaños. El trefilado es preciso, la superficie es lisa, el equipo y el molde son sencillos y la fabricación es fácil. Según la temperatura del metal durante el proceso, se considera trefilado en frío cuando la temperatura es inferior a la de recristalización, trefilado en caliente cuando es superior y trefilado en tibio cuando es superior a la temperatura ambiente pero inferior a la de recristalización. El trefilado en frío es el método más común en la producción de alambre. En el trefilado en caliente, el alambre se calienta antes de introducirlo en el molde y se utiliza principalmente para alambres de metales con alto punto de fusión, como el tungsteno y el molibdeno. En el trefilado en tibio, el alambre se calienta a la temperatura especificada mediante un calentador antes de introducirlo en el molde. Se utiliza principalmente para alambres de aleaciones difíciles de deformar, como el zinc, el acero rápido y el acero para rodamientos.

Según el número de moldes por los que pasan los alambres simultáneamente durante el proceso de trefilado, el trefilado a través de un solo molde se considera trefilado de una sola pasada, mientras que el trefilado a través de múltiples moldes (de 2 a 25) en secuencia se considera trefilado continuo de múltiples pasadas. El trefilado de una sola pasada se caracteriza por su baja velocidad, productividad y baja productividad laboral, y se utiliza comúnmente para trefilar alambres de gran diámetro, baja plasticidad e irregulares. El trefilado de múltiples pasadas se caracteriza por su alta velocidad de trefilado, alto grado de mecanización y automatización, alta productividad y baja productividad laboral, y es el método principal de producción de alambre. Se divide en trefilado continuo sin deslizamiento y trefilado continuo con deslizamiento. Según el tipo de lubricante utilizado, se emplea lubricante líquido para el trefilado en húmedo y lubricante sólido para el trefilado en seco. Según la forma de la sección transversal del alambre trefilado, existen trefilados circulares y trefilados irregulares. Según la fuerza de tracción aplicada, existen trefilados con fuerza positiva y con fuerza negativa. También existen trefilados especiales, como el trefilado con rodillos.

La extrusión, especialmente la extrusión en frío, se caracteriza por su alto aprovechamiento del material, la mejora de su estructura y propiedades mecánicas, su operación sencilla y su alta productividad. Permite producir barras largas, orificios profundos, paredes delgadas y secciones transversales de formas especiales con un bajo volumen de corte. La extrusión se utiliza principalmente para el conformado de metales, pero también puede emplearse para el conformado de materiales no metálicos como plásticos, caucho, grafito y arcilla. Según la temperatura de la pieza en bruto, la extrusión se clasifica en tres tipos: extrusión en caliente, extrusión en frío y extrusión tibia. La extrusión se realiza cuando la pieza metálica está a una temperatura superior a la de recristalización (véase deformación plástica); la extrusión a temperatura ambiente se denomina extrusión en frío; y la extrusión a una temperatura superior a la ambiente, pero sin superar la de recristalización, se denomina extrusión tibia. Según la dirección del flujo plástico de la pieza en bruto, la extrusión se divide en: extrusión positiva (con el mismo sentido de flujo que la presión), extrusión inversa (con sentidos de flujo y presión opuestos) y extrusión mixta (con flujo positivo y negativo en la pieza en bruto). La extrusión en caliente a presión se utiliza ampliamente en la producción de tuberías y perfiles de metales no ferrosos como el aluminio y el cobre, y pertenece a la industria metalúrgica.

La extrusión en caliente del acero no solo se utiliza para la producción de tubos y perfiles especiales, sino también para la fabricación de piezas macizas y perforadas (con o sin agujeros pasantes) de acero al carbono y acero aleado, difíciles de conformar mediante extrusión en frío o en caliente, como barras, barriles, contenedores, etc., con cabezas más gruesas. La precisión dimensional y el acabado superficial de las piezas extruidas en caliente son superiores a los de las forjadas en caliente, aunque las piezas de acoplamiento generalmente requieren mecanizado o acabado. La extrusión en frío se utilizaba originalmente solo para producir tubos y perfiles de plomo, zinc, estaño, aluminio, cobre y otros materiales, así como mangueras para pasta de dientes (de plomo con recubrimiento de estaño), cajas para pilas secas (de zinc), casquillos de bala (de cobre) y otras piezas. A mediados del siglo XX, la tecnología de extrusión en frío comenzó a utilizarse para piezas de acero estructural al carbono y de acero estructural aleado, como barras y piezas con forma de barra de diversas secciones transversales, pasadores de pistón, manguitos de llave, engranajes rectos, etc., y posteriormente se utilizó para comprimir algunas piezas de acero con alto contenido de carbono, acero para rodamientos y acero inoxidable.

La extrusión en frío ofrece alta precisión y una superficie lisa, pudiendo utilizarse directamente como pieza sin necesidad de mecanizado ni acabado. Es un proceso sencillo y adecuado para la producción en serie de piezas pequeñas (el diámetro de las piezas de acero extruidas no suele superar los 100 mm). La extrusión en caliente es un proceso intermedio entre la extrusión en frío y la extrusión en caliente. En condiciones adecuadas, puede combinar las ventajas de ambas. Sin embargo, requiere calentar la pieza en bruto y precalentar el molde. La lubricación a alta temperatura no es óptima y la vida útil del molde es corta, por lo que su uso no está muy extendido.

La ventaja del laminado radica en que destruye la estructura del lingote, refina el grano de la chapa y elimina defectos estructurales, logrando así una chapa densa y mejores propiedades mecánicas. Esta mejora se manifiesta principalmente en la dirección del laminado, lo que provoca que la chapa pierda cierta isotropía. Además, las burbujas de aire, grietas y poros formados durante la fundición se suprimen gracias a la acción de la alta temperatura y la alta presión. La desventaja es que, tras el laminado en caliente, las inclusiones no metálicas se comprimen formando láminas delgadas, dando lugar a la estratificación (capas intermedias). Esta estratificación reduce considerablemente la resistencia a la tracción de la chapa en todo su espesor, y al contraerse la soldadura, existe la posibilidad de desgarro entre capas. La deformación local causada por la contracción de la soldadura suele alcanzar varias veces la deformación en el límite elástico, siendo mucho mayor que la deformación producida por la carga. Asimismo, se generan tensiones residuales debido a un enfriamiento desigual.

La tensión residual es la tensión de autoequilibrio interno sin la acción de fuerzas externas. Las placas laminadas en caliente de diversas secciones transversales presentan esta tensión residual. Generalmente, a mayor sección transversal de la placa, mayor es la tensión residual. Si bien la tensión residual se autoequilibra, influye en el rendimiento del vehículo bajo la acción de fuerzas externas. Por ejemplo, puede afectar negativamente la deformación, la estabilidad y la resistencia a la fatiga. Asimismo, el espesor y el ancho lateral de la placa laminada en caliente no se controlan con precisión. Es bien sabido que se produce dilatación térmica y contracción por enfriamiento. Incluso si la longitud y el espesor cumplen con los estándares inicialmente, se producirá una cierta deformación negativa tras el enfriamiento. Cuanto mayor sea esta deformación negativa, mayor será el espesor y más evidente será el impacto en el rendimiento. Por lo tanto, en placas de gran tamaño, el ancho del borde, el espesor, la longitud, el ángulo y el perfil del borde no pueden ser demasiado precisos.

El método de forjado se caracteriza por incluir las etapas de forjado y estirado de orificios, inserción de una barra de cera, moldeo y tratamiento térmico. El proceso de forjado y estirado consiste en transformar una barra sólida en un tubo hueco sin soldadura. El proceso de inserción de la barra de cera consiste en insertar una barra de cera con un diámetro correspondiente al diámetro interior del tubo hueco. El proceso de moldeo consiste en colocar el tubo hueco con la barra de cera entre un molde superior y un molde inferior, y configurar las cavidades de ambos moldes con formas cóncavas y convexas. Al presionar los moldes superior e inferior, se forma un refuerzo en la periferia del tubo. El proceso termoquímico de moldeo da como resultado accesorios de tubería forjados con alta capacidad de absorción de impactos y que soportan altas presiones. Este proceso también incluye el forjado y estirado de orificios, la inserción de tiras de cera, el moldeo y el tratamiento térmico. Se forman barras de refuerzo en la sección transversal y, finalmente, la tira de cera se funde y se termoforma para formar los accesorios moldeados. Mediante el método de forjado descrito anteriormente, se forman barras de refuerzo cóncavas en la superficie del tubo, lo que mejora sus propiedades de amortiguación de vibraciones y, al mismo tiempo, lo refuerza. El rendimiento a compresión también mejora su estética y versatilidad, solucionando así el problema de la baja amortiguación de vibraciones y el deficiente rendimiento a compresión de los accesorios macizos existentes. Los métodos de forjado más comunes incluyen el forjado libre, el forjado con matriz y el forjado con película de neumático.

1. Forjado libre: El forjado libre consiste en deformar el metal entre dos hierros mediante impacto o presión, obteniendo así la forma y el tamaño deseados en las piezas forjadas. En maquinaria pesada, el forjado libre se utiliza para producir piezas forjadas de gran tamaño y para conformar piezas sobredimensionadas.

2. Forjado con matriz: Mediante presión o impacto, la pieza metálica se deforma en la cavidad del molde de forjado, obteniéndose así la pieza forjada. Este método permite la producción de piezas forjadas de dimensiones precisas, con un margen de mecanizado reducido, estructuras complejas y alta productividad.

3. Forjado con matriz de neumático: El forjado con matriz de neumático es un proceso que utiliza moldes de neumático en equipos de forjado libre para producir piezas forjadas por estampación. Generalmente, se fabrican piezas en bruto mediante forjado libre, que luego se conforman en el molde de neumático.

En comparación con las piezas fundidas y forjadas, las piezas estampadas son delgadas, uniformes, ligeras y resistentes. El estampado permite producir piezas con nervaduras, relieves, ondulaciones o rebordes difíciles de fabricar con otros métodos, aumentando así su rigidez. Gracias al uso de moldes de precisión, la exactitud de las piezas puede alcanzar el nivel de micras, con alta repetibilidad y especificaciones consistentes; además, se pueden realizar orificios y resaltes. Las piezas estampadas en frío generalmente no requieren mecanizado o solo un mecanizado mínimo. La precisión y el acabado superficial de las piezas estampadas en caliente son inferiores a los de las piezas estampadas en frío, pero aun así superiores a los de las piezas fundidas y forjadas, con un menor procesamiento. En comparación con otros métodos de mecanizado y procesamiento de plásticos, el estampado presenta numerosas ventajas tecnológicas y económicas.

La actuación principal es la siguiente:

(1) El estampado ofrece alta productividad, es fácil de operar y permite una fácil mecanización y automatización. Esto se debe a que el proceso de estampado depende del troquel y del equipo de estampado para su correcta ejecución. Mientras que una prensa común puede alcanzar decenas de golpes por minuto, una prensa de alta velocidad puede llegar a cientos o incluso miles de golpes por minuto. Esto último puede requerir un punzón.

(2) En el proceso de estampado, dado que el molde garantiza la precisión del tamaño y la forma de las piezas estampadas, generalmente no se daña la calidad superficial de las mismas, la vida útil del molde suele ser mayor, la calidad del estampado es estable, la intercambiabilidad presenta características idénticas.

(3) El estampado puede procesar piezas con un amplio rango de tamaños y formas complejas, como la manecilla de los segundos de un reloj, la viga longitudinal de un automóvil, una cubierta, etc. Junto con la deformación en frío y el efecto de endurecimiento de los materiales en el proceso de estampado, la resistencia y la rigidez del estampado son muy altas.

(4) El estampado generalmente no produce virutas ni residuos, consume menos material, no requiere otro equipo de calentamiento, es un método de procesamiento que ahorra material y energía, y permite estampar piezas a bajo costo.

La forja rotativa se caracteriza por la carga pulsada y la forja multidireccional, lo que favorece la deformación uniforme y la plasticidad del metal. Por lo tanto, este proceso no solo es adecuado para barras metálicas comunes, sino también para aleaciones de alta resistencia y baja plasticidad, especialmente para tochos y la forja de metales refractarios como el tungsteno, el molibdeno, el niobio y sus aleaciones. La forja por centrifugación se caracteriza por su alta calidad de forja, alta precisión dimensional, alta eficiencia de producción y alto grado de automatización. Si bien la forja por centrifugación permite obtener una amplia gama de tamaños de forja, su estructura de equipo es compleja y especializada.

La forja por hilado se utiliza ampliamente en la producción de ejes escalonados para diversas máquinas, como automóviles, máquinas herramienta, locomotoras, etc., incluyendo escalones en ángulo recto y ejes cónicos;

Se caracteriza por la carga pulsada y el forjado multidireccional, con una alta frecuencia de impacto de 180 a 1700 golpes por minuto. Como resultado del forjado con múltiples martillos, el metal se deforma bajo la acción de una tensión de compresión tridireccional, lo que favorece la mejora de su plasticidad. El forjado rotatorio no solo es adecuado para materiales metálicos comunes con buena plasticidad, sino también para materiales de alta resistencia y baja plasticidad. Se utiliza ampliamente en el forjado de materiales refractarios sinterizados en polvo para altas temperaturas con menor plasticidad, así como en el estirado de tungsteno, molibdeno, tantalio, metales raros como niobio, circonio y hafnio, y materiales recubiertos de muy baja resistencia, como tubos de aluminio recubiertos con polvo de aluminio-níquel.