CAPITULO II, Laminación

CAPITULO II PROCESOS DE DEFORMACIÓN PLÁSTICA MASIVA DE MATERIALES (LAMINACIÓN)

CAPITULO II

PROCESOS DE DEFORMACIÓN PLASTICA MASIVA DE MATERIALES

1. LAMINACION.

Es un proceso de deformación en el cual el espesor del material de trabajo se reduce mediante fuerzas de compresión ejercidas por dos rodillos opuestos. Los rodillos giran, en sentido opuesto, para jalar el material de trabajo y simultáneamente apretarlo entre ellos. La figura mostrada es un laminado plano, que se usa para reducir el espesor de una sección transversal cuadrada, la cual se transforma en un perfil en forma de (I) viga, Figura 11.

Figura 2.1. Laminado de Productos Planos

El lingote obtenido después de la solidificación del metal obtenido del vaciado,

es recalentado a una temperatura de (1200 c), para pasarlo posteriormente al

PROCESO DE LAMINACIÓN


molino de laminación, donde se lamina para convertirlo en una de las tres formas, intermedias llamadas: Lupias, Tocho ò Planchas. Una lupia tiene una sección transversal cuadrada de 6 x 6 pulg (150 x 150mm) ò mayor. Se fabrican generalmente perfiles estructurales y rieles para ferrocarril. Un Tocho se lamina a partir de una lupia y es cuadrado, con dimensiones de 1.5 pulg. Por lado o mayor.

Estos tochos se laminan para producir barras y varillas; estas formas son la materia prima para maquinado, estirado de alambre, forjado y otros procesos de trabajo de materiales.

Una plancha se lamina a partir de un lingote o de una lupia y tiene una sección rectangular de 10pulgadas de ancho (254mm) o más, y un espesor de 1.5pulgadas (38mm) o más. Las planchas se laminan para convertirlas en placas, laminas 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 2.2, muestra algunos de estos productos laminados de acero.


Figura 2.2. Procesos de laminación

El laminado en frío hace más resistente el metal y permite unas tolerancias más estrechas del espesor. Además la superficie del material esta libre de incrustaciones o capas de oxido. Estos productos son ideales para estampados paneles exteriores y otros productos que van desde automóviles hasta utensilios y muebles.

2. Análisis del laminado plano

El laminado plano, se ilustra en la figura 2.3., 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 trabajo entre dos rodillos de manera que su espesor se reduzca a una cantidad llamada “DRAFT”.

d = t0 - tf 2.1

d = draft, pulgadas (mm)t0 = espesor inicial, pulgadas (mm)t1 = espesor final, pulgadas (mm)

El draft se expresa algunas veces como una fracción del espesor del material inicial llamada “REDUCCIÓN”.

2.2

r = reducción.

Cuando se usa una serie de operaciones de laminado, la reducción se forma como la suma de los adelgazamientos dividida entre el espesor origina.

Además de reducir el espesor, el laminado incrementa usualmente el ancho del material, a esto se le llama “ESPARCIDO” (SPREADING).

Existe la conservación del material, de tal manera que el volumen del metal que sale de los rodillos es igual al volumen que entra (constante volumen).

2.3

y = son los anchos del trabajo antes y después, pulgadas (mm).


y son las longitudes antes y después, pulgadas (mm).

Figura 2.3. Vista lateral del laminado plano indicando el espesor antes y después, las velocidades de trabajo, el ángulo de contactocon los rodillos y otras características.

De igual manera, la velocidad volumétrica del material antes y después debe ser la misma, entonces:

2.4

y son las velocidades de entrada y salida del material de trabajo.

Como los rodillos entran en contacto con el material a lo largo de un arco de contacto definido por (θ). Cada rodillo tiene un radio (R) y su velocidad de

rotación tiene una velocidad superficial ( ) estas velocidad es mayor que la

velocidad de trabajo ( ) y menor que la velocidad de salida ( ). Este punto

se le llama “DESLIZAMIENTO”, la cantidad de deslizamiento entre los rodillos y el material de trabajo puede medirse por medio del “DESLIZAMIENTO HACIA ADELANTE” (FORWARD SLIP), este se define como:

2.5

Deslizamiento hacia delante. Velocidad final de trabajo ( ) ( ).

Velocidad del rodillo ( ) ( ).


El esfuerzo real experimentado por el trabajo laminado se basa en el espesor del material antes y después del laminado, entonces tenemos:

2.6

Se puede usar la deformación real para determinar el esfuerzo de fluencia promedio (Yf) aplicado al material de trabajo en el laminado plano. Recordando la ecuación siguiente:

2.7

El esfuerzo de fluencia promedio será útil para calcular las estimaciones de fuerza y potencia de laminado. El coeficiente de fricción en el proceso de laminado plano, podemos obtener el draft máximo.

2.8

Draft máximo, pulgadas (mm).

Coeficiente de fricción. Radio del rodillo, pulgadas (mm).

Dado un coeficiente de fricción suficiente para realizar el laminado, la fuerza (F) requerida para mantener la separación entre los dos rodillos se puede calcular de la siguiente manera:

2.9

Fuerza de laminado lb. (N). Ancho del material del trabajo que se esta laminando, pulgadas

(mm).

Presión de laminado, ( ) (MPa).

Longitud de contacto entre el rodillo y el trabajo, pulgadas (mm).

Se puede calcular una aproximación de los resultados de la ecuación 2.9, con base en el esfuerzo de fluencia promedio que experimenta el material en la brecha entre los rodillos, será:

2.10

esfuerzo de fluencia promedio de la ecuación 2.7, ( ) (MPa).


Es el área de contacto rodillo-trabajo, (mm2)

La longitud de contacto se puede calcular con:

2.11

Figura 2.3. Variaciones típicas de presión a lo largo de la longitud de contactoen el laminado plano. La presión pico se localiza en el punto neutro. El área bajo la curva, representada por la integración de la 2.9, es la fuerza de laminación F.

El momento de torsión en laminado se puede estimar suponiendo que la fuerza ejercida por los rodillos se centra en el trabajo, conforme pasa entre ellos y actúa con un brazo de palanca de la mitad de la longitud de contacto (L), entonces, el momento de torsión para cada rodillo es:

2.12

La potencia requerida para mover cada rodillo es el producto del momento de torsión y la velocidad angular. La velocidad angular es 2πN, donde N = velocidad de rotación del rodillo, dado que un molino de laminado posee dos rodillos, obtenemos lo siguiente ecuación:

2.13

Potencia, ( ) ( )

Velocidad de rotación, ( ) ( ).

Fuerza de laminado, (lb) (N). Longitud de contacto, pulgadas (m).


Problema:

Una tira con un ancho de 12 pulgadas y 1.0 pulgadas de espesor se alimenta a través de un molino laminador de dos rodillos de 10 pulgadas de radio cada uno. El espesor del material de trabajo se reduce a 0.875pulgadas en un solo

paso, a una velocidad de 50 . El material de trabajo tiene una curva de

fluencia definida por k=40 000 y n=0.15, se asume que el coeficiente de

fricción entre los rodillos y el trabajo es 0.12. Determine si la fricción es suficiente para realizar la operación de laminado, si es así, calcule la fuerza de laminado, el momento de torsión y la potencia en caballos de fuerza.

SOLUCIÓN:

Calculamos primero el draft (reducción del espesor).

El draft máximo posible para el coeficiente de fricción es:

Como el adelgazamiento permisible máximo excede de reducción que se pretende, es posible que la operación de laminado. Entonces calcularemos la fuerza de laminado necesitamos la longitud de contacto (L) y el esfuerzo de

fluencia promedio ( ):

El esfuerzo de fluencia promedio se determina por la deformación real:


Esfuerzo de fluencia promedio

La fuerza de laminación será:

Momento de torsión requerido para mover cada rodillo:

La Potencia será:

Convirtiendo a HP

Problema de Laminación

En un marco de un tren de laminación en frío se realiza una reducción de 20% a una plancha de 4 mm de espesor y ancho de 900 mm a una velocidad de 5

m/s. El material sigue la ley de Hollomon2.040 . El diámetro de los rodillos

es de 500 mm y el coeficiente de roce es 0.4.

a) Determine la distribución de presiones sobre el cilindro si existe una tensión de la lámina a la salida de 5 Kg/mm2.

b) Determine la posición teórica del punto de no deslizamiento para las condiciones en a)

c) Determine la carga de laminación teórica.d) Determine la potencia teórica requerida para realizar el proceso.e) Determine la carga de laminación por un método simplificado.f) Determine la potencia requerida para realizar el proceso por un método

simplificado.


Solución

a). En la sección de salida

1

3

4

3

4

3

22

0

1

20

xs ep

En la sección de entrada

1

3

41

3

4

3

2202

0

0epe

º25.30566.0250

8.0º57.264637.01

2.3

4tan1tan 0

1

1

010

R

h

h

h

22.0

01

00 4.25257.0

2.1

40;257.0

2.3

4ln3

2ln3

2;

1 mm

Kg

h

h

n

k n

07.72.3

2504.022

1

h

R

Salida:

007.710462.00044.14.25

07.7 p

s ep

Entrada:

pe ep

0

4637.007.7 07.710462.00447.14.25

20

34.24mm

kgps

221.29

0 mm

kgpe

.max benppp

b). Punto de no deslizamiento se pp

007.710462.00044.107.710462.00447.1 07.74637.007.7 ee


resolviendo, 2367.0p

º563.10273.0tantan 11

pp R

h

Con 2367.0p

en ep o sp2max 86.132

mm

kgp

c). Carga de laminación teórica

0

sincossincos0

p

p

dpdpRwP es

Reemplazar tan839.8tan 1 en ep y sp e integrar numéricamente.

d). Potencia teórica

Momento Torsor

p

p

dpdpwRM se

0

2 0

Reemplazar tan839.8tan 1 en ep y sp e integrar numéricamente.

Velocidad angular

segR

v 120

25.0

5

Potencia s

mmKgMW

e). Carga de laminación método simplificado

Según EKELUND


10

2.1'6.11'

hh

hhRhRS

w

P

03

2 S

22.0

01

00 4.25257.0

2.1

40;257.0

2.3

4ln3

2ln3

2;

1 mm

Kg

h

h

n

k n

25.29mm

kgS

kg

mm

in

mm

kg

ton

ton

inc

hw

PcRR

24

2

22

24 1015.24.25

1000

11034.3;1'

EKELUND de ecuación la en reemplaza Se

w

PR

8.0

1015.21250'

4

kgPmm

kg

w

P9393607.1043

Sin tensión de salida

kgPP px 85043125.3

563.1

4.25

519393601'

00

1

f). Potencia según método simplificado

Torque:

2pLPM mmhRLp 14.148.0250

mKgM 60122

14.14850431


Potencia:

KWs

mkgMN 1180120251206012

2.3. Laminado de perfiles

En el laminado de perfiles, el material de trabajo se deforma para generar un contorno en la sección transversal. Los productos hechos por este procedimiento incluyen perfiles de construcción como vigas en (І) yen (L) y canales en (U); rieles para vías de ferrocarril y barras redondas y cuadradas, así como varillas (ver figura 2.2.). El proceso se realiza pasando el material de trabajo a través de rodillos que tienen impreso el reverso de la forma deseada.

La mayoría de los principios que se aplican en el laminado plano son también aplicables al laminado de perfiles. Los rodillos formadores son más complicados; y el material inicial, de forma usualmente cuadrada, requiere una transformación gradual a través de varios rodillos para alcanzar la sección final, Figura 2.4.

Figura 2.4. Diferentes tipos de perfiles obtenidos de Laminación.


Figura 2.5. Tipos de rodillos de laminación

2.4. Molinos laminadores

El molino de laminación básico consiste en dos rodillos opuestos y se denomina molino de laminación de dos rodillos, el cual se muestra en la figura 2.6, 2.7 y 2.8. Los rodillos en estos molinos tienen diámetros que van de 2.0 a 4.5 pies (0.6 a 1.4 m).


Figura 2.6. Tren laminador

Figura 2.7. Tipos de Molinos laminadores


Figura 2.8. Laminador

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