Publicado en 01. 18, 2021
El hilado de metales se originó como una técnica artesanal cuyos orígenes, según algunos, se remontan a la China del siglo X. Hoy en día es un potente y avanzado proceso de fabricación realizado mediante máquinas CNC.
Hoy en día, la industria del hilado industrial no sólo utiliza el hilado de metales de precisión, sino también un proceso estrechamente relacionado llamado conformado por flujo. De hecho, la conformación por flujo puede considerarse un tipo especializado de proceso de hilatura.
Tanto el hilado de metales como el conformado por flujo pueden fabricar piezas de trabajo desde unas pocas pulgadas de diámetro hasta varios pies de diámetro y longitudes. Hoy en día, el conformado por flujo produce piezas para las industrias nuclear, de petróleo y gas, química y médica, entre otras. La tecnología de hilado de metales se puede encontrar en una amplia gama de campos, desde componentes decorativos y productos industriales en general hasta componentes aeroespaciales y de defensa.
¿Qué es el hilado de metales?
La hilatura de metales produce piezas con simetría axial a partir de una pieza bruta. Esta pieza en bruto suele ser una hoja de disco plano y ocasionalmente una preforma embutida o mecanizada. La pieza en bruto se sujeta contra un mandril giratorio mediante un sistema de contrapunto y al mandril se le da forma con el perfil de la pieza final interior. Una vez que la pieza en bruto se sujeta y gira, las correderas formadoras impulsan una herramienta giratoria llamada rodillo contra la pieza en bruto. Con movimientos consecutivos llamados golpes o pasadas, el rodillo empuja la pieza en bruto contra el mandril.
Después de varias pasadas de formación hacia adelante y hacia atrás, comenzando junto a la superficie del mandril hasta el borde del disco en bruto, el material se forma progresivamente más cerca del mandril hasta que se obtiene la forma final. Una pasada final deja una buena calidad de acabado y forma el material firmemente al mandril para satisfacer los requisitos dimensionales y de tolerancia.
El hilado de metales tiene varias iteraciones que se adaptan a diferentes aplicaciones. Entre ellos, el hilado multipasada es el más común; Como se describió anteriormente, un rodillo realiza pasadas de formación a través del disco giratorio varias veces, dando forma al metal contra el mandril.
Otra iteración común, el conformado por cizallamiento, termina una pieza en una sola pasada, con el rodillo presionando contra el metal de una manera única. En la hilatura de pasadas múltiples, la sección de brida no formada del disco se dobla hacia adelante y hacia atrás durante el proceso, dependiendo del tipo y dirección de las pasadas de hilatura. En el conformado por cizalla, el rodillo mantiene la brida giratoria perfectamente vertical durante el proceso.
Además del hilado de múltiples pasadas y la conformación por cizallamiento, existe otra iteración de hilado de metal menos común llamada estrechamiento o reducción, a veces denominada "hilado en el aire". Como su nombre lo indica, generalmente no requiere mandril para soporte interno. Se utiliza comúnmente para formas como botellas de gas, que se encajan en un tubo.
¿Qué es la formación de flujo?
El conformado por flujo produce piezas cilíndricas con simetría axial a partir de tubos huecos, piezas en bruto premecanizadas o piezas forjadas o embutidas. La pieza inicial se sujeta contra el mandril giratorio mediante un sistema de contrapunto. Tres rodillos formadores están distribuidos uniformemente en un círculo, cada uno con una separación de 120 grados, y pueden moverse axial y longitudinalmente. Una vez que el sistema gira, los rodillos empujan contra el material en dirección axial a lo largo de la preforma. En consecuencia, el material se estira en esta dirección de movimiento, adelgazando la pared de la preforma para mantener el volumen inicial del material (ver Figura 4).
El conformado por flujo generalmente requiere de una a tres carreras o pases axiales, cada uno de los cuales estira y reduce el espesor de la pared. El número de carreras depende de diferentes factores, como la relación entre el espesor inicial de la preforma y el espesor final de la pieza, la formabilidad del material y las fuerzas de la máquina. Una vez finalizada la operación de conformación por flujo, el sistema extractor de la máquina expulsa la pieza de trabajo.
Aunque las máquinas de conformado por flujo de tres rodillos siguen siendo las más comunes, también se está empleando maquinaria con más de tres rodillos para lograr mayores fuerzas de conformado y velocidades de producción.
El hilado de metales sobresale cuando la geometría final de la pieza de trabajo tiene múltiples diámetros y la reducción del espesor del material no es una preocupación importante. Los productos fabricados con moldeo por flujo están más restringidos, principalmente a tuberías y tubos con geometrías muy precisas, incluidos sus diámetros interiores y espesores.
La conformación por flujo también fortalece el material, lo que presenta algunas ventajas económicas. El proceso comienza con preformas cortas y gruesas para obtener piezas finales largas, de paredes más delgadas y precisas.
Espacios en blanco y preformas
El hilado de metales y el conformado por flujo tienen diferencias notables en la pieza inicial o preforma utilizada, principalmente porque la pieza de trabajo final producida por cada proceso tiene requisitos diferentes. Alrededor del 90 por ciento de las piezas hiladas se pueden formar comenzando con un disco en blanco recortado de láminas de metal comerciales estándar. Cuando comenzar con un disco en bruto no es una opción viable, normalmente porque la pieza de trabajo final tiene formas complejas o variaciones de espesor, la hilatura de metales puede utilizar preformas premecanizadas, forjadas o embutidas.
El conformado por flujo generalmente comienza con preformas que han sido embutidas o mecanizadas. Sólo unas pocas aplicaciones de conformado por flujo pueden comenzar con preformas de materia prima disponibles comercialmente.
Diferencias en la ejecución
El hilado de metal utiliza un número consecutivo de pasadas para formar el espacio en blanco. Sólo en la etapa final de esas pasadas se presiona el material contra el mandril, controlándose el espesor del material. Por esta razón, resulta algo difícil para el hilado de metales producir una pieza de trabajo de espesor uniforme durante todo el proceso. El hilado de metales utiliza solo uno, a veces dos, rodillos, y solo las puntas de los rodillos controlan la forma y el grosor de la pieza de trabajo.
En el conformado por flujo, tres o más rodillos aplican una presión constante contra el material y el mandril en cada carrera. Utilizando parámetros del CNC, la máquina controla la presión y el espesor de la pieza en el punto de contacto de los rodillos formadores, a lo largo de toda la carrera. El resultado: el conformado por flujo puede producir una pieza con un espesor de material uniforme y de alta precisión.
Materiales
Some materials in certain conditions can be formed only in warm or hot conditions, with torches, induction heating systems, or ovens heating the material. But for the most part, both metal spinning and flow forming are considered cold forming processes.
Cold working positively affects the workpiece’s mechanical properties, producing improved grain structures and increased tensile strength. How much cold working takes place in the workpiece depends on the wall thickness reduction.
These improved mechanical properties usually are more important in flow forming than in metal spinning, because the amount of wall reduction applied to flow formed parts is much greater. Regardless, the maximum thickness reduction depends on the material and its initial metallurgical conditions; it is not related to the forming process.
Metal spinning and flow forming can be used to form a variety of materials, and some materials are easier to form than others, both from a dimensional and process control perspective. For instance, metal spinning aluminum can be quite easy to control, while flow forming aluminum can be much more complex .
Equipo
Los tornos giratorios para metal (también conocidos como máquinas formadoras por giro) y los tornos perfiladores tienen componentes básicos en común, como el cabezal, el contrapunto y el carro de la celda de trabajo.
Las máquinas perfiladoras están diseñadas y construidas para ser lo suficientemente robustas como para soportar las altas fuerzas de conformado durante el proceso, incluidas las requeridas cuando se parte de espacios en blanco gruesos (consulte la Figura 6). Las máquinas de hilar son más rápidas porque las piezas se pueden producir a altas rpm y velocidades de avance.
Estampación
La complejidad y el costo de las herramientas dependen de los requisitos dimensionales de la pieza de trabajo y la dureza del material. El conformado por flujo es ideal para fabricar piezas con materiales de alta resistencia; Las altas fuerzas de conformado del proceso pueden producir estas piezas dentro de estrechas tolerancias dimensionales y de espesor. Esto requiere el diseño y fabricación de mandriles endurecidos dentro de tolerancias estrictas, lo suficientemente robustos como para producir miles de piezas.
Los materiales y la precisión de las dimensiones finales producidos con el hilado de metales generalmente no son tan exigentes. Los mandriles y rodillos formadores normalmente pueden diseñarse y fabricarse de forma económica.
Procesos complementarios
A veces, el uso de ambas técnicas puede resolver un rompecabezas de fabricación. Por ejemplo, algunas operaciones utilizan el hilado de metal para comenzar a partir de un disco en blanco y fabricar una pieza hilada que, a su vez, puede usarse como preforma para el conformado por flujo, que da forma a la pieza hasta sus dimensiones finales.
El proceso exacto depende del material. Algunos materiales de piezas de trabajo pueden pasar directamente del hilado de metal al conformado por flujo, mientras que otros tipos de materiales requieren recocido después del hilado para que el material vuelva a ser conformable para el proceso de conformado por flujo.
Conclusión
Aunque ambos procesos son muy similares, cada uno tiene diferencias importantes en cuanto a las piezas finales que pueden lograr. El conformado por flujo es el mejor proceso cuando las formas de las piezas son cilíndricas, tienen una alta relación longitud-diámetro y la precisión dimensional (diámetro interior, diámetro exterior y espesor) es importante. El hilado de metales es un proceso más común y versátil cuando no es necesaria una alta precisión dimensional, especialmente para metales altamente conformables.
¿Qué proceso se adapta mejor? Eso depende, como siempre, de los requisitos de la aplicación.
