Un martillo de vapor , también llamado martillo de caída , es un martillo mecánico industrial accionado por vapor que se utiliza para tareas como dar forma a piezas forjadas y hincar pilotes. Normalmente, el martillo está unido a un pistón que se desliza dentro de un cilindro fijo , pero en algunos diseños el martillo está unido a un cilindro que se desliza a lo largo de un pistón fijo.
El concepto del martillo de vapor fue descrito por James Watt en 1784, pero no fue hasta 1840 cuando se construyó el primer martillo de vapor funcional para satisfacer las necesidades de forjar componentes de hierro o acero cada vez más grandes. En 1843 hubo una acalorada disputa entre el francés François Bourdon y el británico James Nasmyth sobre quién había inventado la máquina. Bourdon había construido la primera máquina funcional, pero Nasmyth afirmó que se había construido a partir de una copia de su diseño.
Los martillos de vapor demostraron ser invaluables en muchos procesos industriales. Las mejoras técnicas permitieron un mayor control sobre la fuerza aplicada, una mayor longevidad, una mayor eficiencia y una mayor potencia. Un martillo de vapor construido en 1891 por la Bethlehem Iron Company asestó un golpe de 125 toneladas. En el siglo XX, los martillos de vapor fueron reemplazados gradualmente en la forja por las prensas mecánicas e hidráulicas, pero algunos todavía se utilizan. Los martillos de aire comprimido, descendientes de los primeros martillos de vapor, todavía se fabrican.
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Un martillo de vapor de simple efecto se eleva por la presión del vapor inyectado en la parte inferior de un cilindro y cae por gravedad cuando se libera la presión. En el martillo de vapor de doble efecto, más común, también se utiliza vapor para empujar el ariete hacia abajo, lo que da un golpe más potente en la matriz. [1] El peso del ariete puede variar de 225 a 22 500 kg (500 a 50 000 lb). [2] La pieza que se trabaja se coloca entre una matriz inferior que descansa sobre un bloque de yunque y una matriz superior unida al ariete (martillo). [3]
Los martillos están sujetos a golpes repetidos, lo que puede provocar la fractura de los componentes de hierro fundido. Por ello, los primeros martillos se fabricaban a partir de varias piezas atornilladas entre sí. Esto hacía que fuera más barato reemplazar las piezas rotas y también les otorgaba un grado de elasticidad que hacía menos probables las fracturas. [4]
Un martillo de vapor puede tener uno o dos marcos de soporte. El diseño de un solo marco permite que el operador se mueva alrededor de las matrices con mayor facilidad, mientras que el marco doble puede soportar un martillo más potente. El marco o los marcos y el bloque del yunque están montados sobre vigas de madera que protegen los cimientos de hormigón al absorber el impacto. [3] Se necesitan cimientos profundos, pero un martillo de vapor de gran tamaño seguirá sacudiendo el edificio que lo sostiene. Esto se puede solucionar con un martillo de vapor de contragolpe, en el que dos arietes convergentes impulsan las matrices superior e inferior juntas. El ariete superior se impulsa hacia abajo y el ariete inferior se tira o se impulsa hacia arriba. Estos martillos producen un gran impacto y pueden hacer grandes forjados. [5] Se pueden instalar con cimientos más pequeños que los martillos de yunque de fuerza similar. [6] Los martillos de contragolpe no se utilizan a menudo en los Estados Unidos, pero son comunes en Europa. [7]
En algunos de los primeros martillos de vapor, un operador movía las válvulas con la mano y controlaba cada golpe. En otros, la acción de la válvula era automática, lo que permitía un golpe rápido y repetitivo. Los martillos automáticos podían dar un golpe elástico, en el que el vapor amortiguaba el pistón hacia el final del recorrido descendente, o un golpe muerto sin amortiguación. El golpe elástico proporcionaba un ritmo de golpe más rápido, pero menos fuerza que el golpe muerto. [8] Se construyeron máquinas que podían funcionar en ambos modos según los requisitos del trabajo. [9] La fuerza del golpe se podía controlar variando la cantidad de vapor introducido para amortiguar el golpe. [10] Un martillo de aire/vapor moderno puede dar hasta 300 golpes por minuto. [11]
La posibilidad de un martillo de vapor fue señalada por James Watt (1736-1819) en su patente del 28 de abril de 1784 para una máquina de vapor mejorada. [12] Watt describió "martillos pesados o estampadores, para forjar o estampar hierro, cobre u otros metales, u otras materias sin la intervención de movimientos rotativos o ruedas, fijando el martillo o estampador que se va a trabajar así, ya sea directamente al pistón o vástago del pistón de la máquina". [13] El diseño de Watt tenía el cilindro en un extremo de una viga de madera y el martillo en el otro. El martillo no se movía verticalmente, sino en el arco de un círculo. [14] El 6 de junio de 1806 W. Deverell, ingeniero de Surrey, presentó una patente para un martillo o estampador impulsado por vapor. El martillo se soldaba a un vástago de pistón contenido en un cilindro. El vapor de una caldera se dejaba entrar por debajo del pistón, elevándolo y comprimiendo el aire que estaba encima. Luego se liberaba el vapor y el aire comprimido empujaba el pistón hacia abajo. [13]
En agosto de 1827, John Hague obtuvo una patente para un método de funcionamiento de grúas y martillos basculantes accionados por un pistón en un cilindro oscilante en el que la fuerza motriz era proporcionada por la energía del aire. Se creaba un vacío parcial en un extremo de un cilindro largo mediante una bomba de aire accionada por una máquina de vapor o alguna otra fuente de energía, y la presión atmosférica impulsaba el pistón hacia ese extremo del cilindro. Cuando se invertía una válvula, se formaba el vacío en el otro extremo y el pistón se impulsaba en la dirección opuesta. [15] Hague fabricó un martillo con este diseño para aplanar sartenes. Muchos años después, al analizar las ventajas del aire sobre el vapor para proporcionar energía, se recordó que el martillo neumático de Hague "trabajaba con una rapidez tan extraordinaria que era imposible ver dónde estaba trabajando el martillo, y el efecto parecía más como si se diera una presión continua". Sin embargo, no era posible regular la fuerza de los golpes. [16]
Parece probable que el ingeniero escocés James Nasmyth (1808-1890) y su homólogo francés François Bourdon (1797-1865) reinventaran el martillo de vapor de forma independiente en 1839, ambos tratando de resolver el mismo problema de forjar ejes y manivelas para las máquinas de vapor cada vez más grandes utilizadas en locomotoras y barcos de vapor. [17] En la "autobiografía" de Nasmyth de 1883, escrita por Samuel Smiles , describió cómo surgió la necesidad de un eje de paletas para el nuevo vapor transatlántico SS Great Britain de Isambard Kingdom Brunel , con un eje de 30 pulgadas (760 mm) de diámetro, más grande que cualquiera que se hubiera forjado anteriormente. Se le ocurrió su diseño de martillo de vapor, haciendo un boceto fechado el 24 de noviembre de 1839, pero la necesidad inmediata desapareció cuando se demostró la practicidad de las hélices de tornillo y el Great Britain se convirtió a ese diseño. Nasmyth mostró su diseño a todos los visitantes. [18]
Bourdon tuvo la idea de lo que llamó un "Pilon" en 1839 e hizo dibujos detallados de su diseño, que también mostró a todos los ingenieros que visitaron las obras en Le Creusot propiedad de los hermanos Adolphe y Eugène Schneider . [18] Sin embargo, los Schneider dudaron en construir la nueva máquina radical de Bourdon. Bourdon y Eugène Schneider visitaron las obras de Nasmyth en Inglaterra a mediados de 1840, donde les mostraron el boceto de Nasmyth. Esto confirmó la viabilidad del concepto a Schneider. [17] En 1840 Bourdon construyó el primer martillo de vapor del mundo en las obras de Schneider & Cie en Le Creusot. Pesaba 2.500 kilogramos (5.500 libras) y se elevaba hasta 2 metros (6 pies 7 pulgadas). Los Schneider patentaron el diseño en 1841. [19]
Nasmyth visitó Le Creusot en abril de 1842. Según sus propias palabras, Bourdon lo llevó al departamento de forja para que, como él dijo, "pudiera ver a su propio hijo". Nasmyth dijo "allí estaba, en verdad, ¡un niño que golpeaba en mi cerebro!" [18] Después de regresar de Francia en 1842, Nasmyth construyó su primer martillo de vapor en su fundición Patricroft en Manchester , Inglaterra , adyacente al (entonces nuevo) Ferrocarril de Liverpool y Manchester y al Canal de Bridgewater . [20] En 1843 estalló una disputa entre Nasmyth y Bourdon sobre la prioridad de la invención del martillo de vapor. Nasmyth, un excelente publicista, logró convencer a muchas personas de que él era el primero. [21]
El primer martillo de vapor de Nasmyth, descrito en su patente del 9 de diciembre de 1842, fue construido para Low Moor Works en Bradford. Rechazaron la máquina, pero el 18 de agosto de 1843 aceptaron una versión mejorada con un engranaje autoaccionado. [22] Robert Wilson (1803-1882), que también había inventado la hélice y era gerente de la fábrica de Nasmyth en Bridgewater, inventó el movimiento autoaccionado que hacía posible ajustar la fuerza del golpe dado por el martillo, una mejora de importancia crítica. [23] Un escritor temprano dijo sobre el mecanismo de Wilson: "... estaría más orgulloso de decir que fui el inventor de ese movimiento, que de decir que había comandado un regimiento en Waterloo..." [22] Los martillos de vapor de Nasmyth podían ahora variar la fuerza del golpe en un amplio rango. A Nasmyth le gustaba romper un huevo colocado en una copa de vino sin romper el vaso, seguido de un golpe que sacudía el edificio. [20]
En 1868, los ingenieros habían introducido más mejoras al diseño original. El martillo de vapor de John Condie, construido para Fulton en Glasgow, tenía un pistón estacionario y un cilindro móvil al que estaba unido el martillo. El pistón era hueco y se utilizaba para suministrar vapor al cilindro y luego retirarlo. El martillo pesaba 6,5 toneladas con un recorrido de 7,5 pies (2,3 m). [24] Los martillos de vapor de Condie se utilizaron para forjar los ejes del SS Great Eastern de Isambard Kingdom Brunel . [25] En 1865, en The Mechanics' Magazine se describió un martillo de aire comprimido de alta velocidad , una variante del martillo de vapor para su uso donde no se disponía de energía de vapor o se requería un entorno muy seco. [26]
Los martillos de vapor de Bowling Ironworks tenían el cilindro de vapor atornillado a la parte posterior del martillo, reduciendo así la altura de la máquina. [24] Estos fueron diseñados por John Charles Pearce, quien sacó una patente para su diseño de martillo de vapor varios años antes de que expirara la patente de Nasmyth. [27] Marie-Joseph Farcot de París propuso una serie de mejoras, incluida una disposición para que el vapor actuara desde arriba, lo que aumentaba la fuerza de impacto, disposiciones de válvulas mejoradas y el uso de resortes y material para absorber el impacto y evitar roturas. [24] [28] John Ramsbottom inventó un martillo dúplex, con dos arietes que se movían horizontalmente hacia una forja colocada entre ellos. [29]
Utilizando los mismos principios de funcionamiento, Nasmyth desarrolló una máquina para hincar pilotes impulsada por vapor . En su primera utilización en Devonport , se llevó a cabo una competición espectacular. Su máquina hincó un pilote en cuatro minutos y medio, en comparación con las doce horas que requería el método convencional. [30] Pronto se descubrió que un martillo con una altura de caída relativamente corta era más eficaz que una máquina más alta. La máquina más corta podía dar muchos más golpes en un tiempo determinado, hincando el pilote más rápido aunque cada golpe fuera más pequeño. También causaba menos daños al pilote. [31]
Las máquinas remachadoras diseñadas por Garforth y Cook se basaban en el martillo de vapor. [32] El catálogo de la Gran Exposición celebrada en Londres en 1851 decía del diseño de Garforth: "Con esta máquina, un hombre y tres muchachos pueden remachar con perfecta facilidad y de la manera más firme, a un ritmo de seis remaches por minuto, o trescientos sesenta por hora". [33] Otras variantes incluían trituradoras para ayudar a extraer mineral de hierro del cuarzo y un martillo para hacer agujeros en la roca de una cantera para colocar cargas de pólvora. [32] Un libro de 1883 sobre la práctica moderna del vapor decía:
La aplicación directa de vapor a los martillos de forja es, sin lugar a dudas, la mayor mejora que se ha logrado jamás en la maquinaria de forja; no sólo ha simplificado las operaciones que se llevaban a cabo antes de su invención, sino que ha añadido muchas ramas y ha extendido el arte de la forja a fines que nunca se habrían podido lograr sin el martillo de vapor. ... El martillo de vapor ... parece estar tan perfectamente adaptado para llenar las diferentes condiciones del martilleo mecánico que parece que no queda nada que desear... [34]
Schneider & Co. construyó 110 martillos de vapor entre 1843 y 1867 con diferentes tamaños y frecuencias de impacto, pero con tendencia a utilizar máquinas cada vez más grandes para hacer frente a las demandas de cañones de gran tamaño, ejes de motores y placas de blindaje, y cada vez se utiliza más acero en lugar de hierro forjado. En 1861 entró en funcionamiento el martillo de vapor "Fritz" en la fábrica Krupp de Essen , Alemania. Con un impacto de 50 toneladas, durante muchos años fue el más potente del mundo. [35]
Según una historia, el martillo de vapor Fritz tomó su nombre de un maquinista llamado Fritz, a quien Alfred Krupp le regaló al emperador Guillermo cuando visitó las obras en 1877. Krupp le dijo al emperador que Fritz tenía un control tan perfecto de la máquina que podía dejar caer el martillo sin dañar ningún objeto colocado en el centro del bloque. El emperador puso inmediatamente su reloj, que estaba tachonado de diamantes, sobre el bloque e hizo un gesto a Fritz para que pusiera en marcha el martillo. Cuando el maquinista dudó, Krupp le dijo: "¡Fritz, suelta el martillo!". Hizo lo que le dijeron, el reloj salió ileso y el emperador se lo regaló a Fritz. Krupp hizo grabar en el martillo las palabras "¡Fritz, suelta el martillo!". [36]
Los Schneider finalmente vieron la necesidad de un martillo de proporciones colosales. [35] El martillo de vapor Creusot era un martillo de vapor gigante construido en 1877 por Schneider and Co. en la ciudad industrial francesa de Le Creusot . Con la capacidad de dar un golpe de hasta 100 toneladas, el martillo Creusot era el más grande y poderoso del mundo. [37] Se construyó una réplica de madera para la Exposición Universal (1878) en París. En 1891, la Bethlehem Iron Company de los Estados Unidos compró los derechos de patente de Schneider y construyó un martillo de vapor de diseño casi idéntico pero capaz de dar un golpe de 125 toneladas. [37]
Con el tiempo, los grandes martillos de vapor quedaron obsoletos y fueron reemplazados por prensas hidráulicas y mecánicas. Las prensas aplicaban fuerza lentamente y a un ritmo uniforme, lo que garantizaba que la estructura interna de la pieza forjada fuera uniforme, sin defectos internos ocultos. [38] También eran más baratas de operar, ya que no requerían que se expulsara vapor, y mucho más baratas de construir, ya que no requerían cimientos enormes y resistentes.
El martillo de vapor Creusot de 1877 se erige hoy como monumento en la plaza del pueblo de Creusot. [38] Un martillo Nasmyth original se encuentra frente a los edificios de su fundición (ahora un "parque empresarial"). Un martillo de vapor Nasmyth & Wilson más grande se encuentra en el campus de la Universidad de Bolton .
Los martillos de vapor siguen utilizándose para hincar pilotes en el suelo. [1] El vapor suministrado por un generador de vapor circulante es más eficiente que el aire. [39] Sin embargo, hoy en día se suele utilizar aire comprimido en lugar de vapor. [31] A partir de 2013, los fabricantes siguieron vendiendo martillos de hincado de pilotes de aire/vapor. [40] Los proveedores de servicios de forja también siguen utilizando martillos de vapor de distintos tamaños basados en diseños clásicos. [41]
Citas
Fuentes
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