Guía Metalurgia Adaptativa

Metalurgia adaptativa

2.1 Trabajo de prensa en metales Trabajos de laminación La laminación es el proceso que consiste en reducir el espesor o cambiar la sección transversal de una pieza de trabajo larga mediante fuerzas de compresión aplicadas con un conjunto de rodillos (ver la Figura 1).

Figura 1. Esquema de diversos procesos de laminación plana y laminación de forma. La laminación en caliente se efectúa a temperaturas elevadas. En esta etapa, la estructura de grano grueso, quebradiza y porosa del lingote o de colada continua, pasa a ser una estructura maleable con un tamaño de grano más fino y mejores propiedades como la dureza y resistencia. Posteriormente, dependiendo del producto le sigue la laminación a temperatura ambiente o laminación en frío. En esta etapa, el producto laminado adquiere más resistencia, dureza y mejora su acabado superficial. Sin embargo, requiere mayor energía para procesar el material. El producto laminado en frío tiene propiedades anisotrópicas.

Metalurgia adaptativa ¿Por qué se requiere mayor energía para realizar el proceso de laminado en frío? En general, las placas tienen un espesor de más de 6 mm (1/4 de pulgada) y se utilizan en aplicaciones estructurales, como cascos de barcos, calderas, puentes, maquinaria y recipientes nucleares. Las placas pueden tener espesores de hasta 300 mm (12 pulgadas). Por lo general, las láminas tienen un espesor de menos de 6 mm y es común que se entreguen en forma de rollos a las compañías manufactureras. Las láminas vienen especificadas por calibre.

Ejercicio 1. De la tabla anterior, seleccione 3 calibres y por cada calibre seleccionado mencionen 3 aplicaciones.

PROCESO DE LAMINACIÓN PLANA La Figura 2 muestra un esquema del proceso de laminación plana. La velocidad final del material laminado es mayor que la velocidad del material antes del proceso de laminación.

Figura 2. a) esquema del proceso de laminación plana, b) Fuerzas de fricción que actúan sobre las superficies de la cinta, c) Fuerza de laminado y torque que actúan sobre los rodillos.

Metalurgia adaptativa Existe un deslizamiento relativo entre el rodillo y la cinta a lo largo del arco de contacto en el espacio de laminación. La fuerza de fricción es necesaria para el proceso de laminado. Sin embargo, una fuerza de fricción alta puede dañar la superficie del producto laminado. La siguiente relación matemática nos indica la reducción máxima posible de espesor del material. La nomenclatura de la ecuación puede observarse en la Figura 2,  es el coeficiente de fricción. ℎ0 − ℎ𝑓 = 𝜇2 𝑅

Ec. 1

FUERZA, TORQUE Y REQUERIMIENTO DE POTENCIA DEL LAMINADO. La fuerza de laminado en la laminación plana puede obtenerse a partir de la siguiente formula: 𝐹 = 𝐿𝑤𝑌𝑝𝑟𝑜𝑚

Ec. 2

Donde, L es la longitud de contacto entre el rodillo y la cinta, w la anchura de la cinta y Yprom el esfuerzo real promedio de la cinta en el espacio de laminación (ver la Figura 3). 𝐿 = √𝑅(ℎ0 − ℎ𝑓 )

Ec. 3

Yprom se estima utilizando la siguiente Figura.

Figura 3. Curvas esfuerzo deformación reales en tensión a temperatura ambiente para diversos metales. Las curvas inician en el esfuerzo de fluencia, Y del material.

Metalurgia adaptativa La ecuación 2 es para una situación sin fricción; sin embargo puede obtenerse un estimado de la fuerza real de laminado si se aumenta esta fuerza alrededor de 20% para considerar el efecto de la fricción. El torque en la laminación es el producto de F y a. La potencia requerida por rodillo se puede estimar suponiendo que F actúa a la mitad del arco de contacto, por lo que en la Figura 2, a = L/2. Por lo tanto, la potencia total (para los dos rodillos en kW) es: 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 =

2𝜋𝐹𝐿𝑁 60,000

Ec. 4

Donde, F está en Newtons, L en metros y N en RPM. En unidades inglesas tradicionales, la potencia total (hp) se expresa como: 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 =

2𝜋𝐹𝐿𝑁 33,000

Ec. 5

Ejemplo 1

Una cinta de cobre recocido con una anchura de 9 in y un espesor de 1 in, se lamina hasta un espesor de 0.8 in en la primer etapa. El radio del rodillo es de 12 in y los rodillos giran a 100 rpm. Calcula la fuerza de laminado y la potencia requerida en esta operación. Solución: L = 1.55 in 1.0

𝜀 = ln ( ) = 0.223 0.8

Yprom = (12,000 + 40,000)/2 = 26,000 psi. Potencia = 898 hp. Nota: Es difícil calcular con exactitud los requisitos de fuerza y potencia en la laminación debido a las incertidumbres comprendidas en: a) Determinación de la geometría exacta de contacto entre el rodillo y la cinta. b) Estimación precisa tanto del coeficiente de fricción como de la resistencia del material en el espacio de laminación, en particular para la laminación en caliente debido a la sensibilidad de la resistencia del material a la velocidad de deformación.

Metalurgia adaptativa Ejemplo 2

Haciendo referencia al ejemplo 1, calcule la fuerza y potencia de laminado para el caso en el que el material de la pieza de trabajo sea aluminio 1100-O y el radio del rodillo R de 10 in.

Actividad colaborativa 2.1 Responde a las preguntas de repaso del capítulo 13 del libro “Manufactura, Ingeniería y Tecnología”. Entreguen sus resultados en rúbrica de práctica de ejercicios.

Bibliografía S. Kalpakjian y S.R. Schmid, (2008), Manufactura, Ingeniería y Tecnología, 5 ed. Pearson Educación, México. ISBN: 978-970-26-1026-7