La chapa es un metal formado en piezas delgadas y planas, generalmente mediante un proceso industrial.
Los espesores pueden variar significativamente; las láminas extremadamente delgadas se consideran láminas u hojas , y las piezas con un espesor superior a 6 mm (0,25 pulgadas) se consideran placas, como el acero en placa, una clase de acero estructural .
La chapa metálica se encuentra disponible en piezas planas o en tiras enrolladas. Las bobinas se forman haciendo pasar una lámina de metal continua por una cortadora de rodillos .
En la mayor parte del mundo, el espesor de la chapa metálica se especifica sistemáticamente en milímetros. En los EE. UU., el espesor de la chapa metálica se especifica habitualmente mediante una medida tradicional, no lineal, conocida como calibre . Cuanto mayor sea el número de calibre, más fino será el metal. La chapa de acero de uso común varía entre el calibre 30 y el calibre 7 aproximadamente. El calibre difiere entre los metales ferrosos ( a base de hierro ) y los metales no ferrosos, como el aluminio o el cobre. El espesor del cobre, por ejemplo, se mide en onzas, que representan el peso del cobre contenido en un área de un pie cuadrado. Las piezas fabricadas a partir de chapa metálica deben mantener un espesor uniforme para obtener resultados ideales. [1]
Hay muchos metales diferentes que se pueden convertir en chapa metálica, como aluminio , latón , cobre , acero , estaño , níquel y titanio . Para usos decorativos, algunos metales en chapa importantes incluyen plata , oro y platino (la chapa de platino también se utiliza como catalizador ). Estas láminas de metal se procesan a través de diferentes tecnologías de procesamiento, que incluyen principalmente el laminado en frío y el laminado en caliente . A veces, se adopta el proceso de galvanización por inmersión en caliente según sea necesario para evitar que se oxide debido a la exposición constante al aire libre. A veces, se aplica una capa de revestimiento de color a la superficie de la chapa laminada en frío para obtener una chapa de metal decorativa y protectora, generalmente llamada chapa de metal revestida de color.
La chapa metálica se utiliza en carrocerías de automóviles y camiones , electrodomésticos grandes , fuselajes y alas de aviones , hojalata para latas , techados para edificios (arquitectura) y muchas otras aplicaciones. La chapa de hierro y otros materiales con alta permeabilidad magnética , también conocida como núcleos de acero laminado , tiene aplicaciones en transformadores y máquinas eléctricas . Históricamente, un uso importante de la chapa metálica era en las armaduras de placas que usaba la caballería , y la chapa metálica sigue teniendo muchos usos decorativos, incluso en los aparejos de los caballos . Los trabajadores de la chapa metálica también son conocidos como "golpeadores de hojalata" (o "golpeadores de hojalata"), un nombre derivado del martilleo de las juntas de los paneles al instalar techos de hojalata. [2]
Las láminas de metal martilladas a mano se han utilizado desde la antigüedad con fines arquitectónicos. Los laminadores accionados por agua reemplazaron el proceso manual a fines del siglo XVII. El proceso de aplanamiento de láminas de metal requería grandes cilindros de hierro giratorios que prensaban piezas de metal para formar láminas. Los metales adecuados para esto eran plomo, cobre, zinc, hierro y más tarde acero. El estaño se usaba a menudo para recubrir láminas de hierro y acero para evitar que se oxidaran. [3] Esta lámina de metal recubierta de estaño se llamaba " hojalata ". Las láminas de metal aparecieron en los Estados Unidos en la década de 1870, y se usaban para techos de tejas, cielorrasos ornamentales estampados y fachadas exteriores. Los cielorrasos de chapa de metal solo se conocieron popularmente como " cielos de hojalata " más tarde, ya que los fabricantes de la época no usaban el término. La popularidad tanto de las tejas como de los cielorrasos fomentó una producción generalizada. Con nuevos avances en la producción de láminas de acero en la década de 1890, la promesa de ser baratas, duraderas, fáciles de instalar, livianas e ignífugas le dio a la clase media un apetito significativo por los productos de lámina de metal. No fue hasta la década de 1930 y la Segunda Guerra Mundial que los metales comenzaron a escasear y la industria de la chapa metálica comenzó a colapsar. [4] Sin embargo, algunas empresas estadounidenses, como WF Norman Corporation, pudieron mantenerse en el negocio fabricando otros productos hasta que los proyectos de preservación histórica ayudaron a la reactivación de la chapa metálica ornamental.
El grado 304 es el más común de los tres. Ofrece una buena resistencia a la corrosión y al mismo tiempo mantiene la formabilidad y la soldabilidad . Los acabados disponibles son #2B, #3 y #4. El grado 303 no está disponible en forma de lámina. [5]
El grado 316 posee mayor resistencia a la corrosión y mayor fuerza a temperaturas elevadas que el 304. Se utiliza comúnmente para bombas , válvulas , equipos químicos y aplicaciones marinas. Los acabados disponibles son #2B, #3 y #4. [5]
El grado 410 es un acero inoxidable tratable térmicamente , pero tiene una resistencia a la corrosión menor que los otros grados. Se utiliza comúnmente en cuchillería . El único acabado disponible es mate. [5]
El grado 430 es un grado popular y una alternativa de bajo costo a los grados de la serie 300. Se utiliza cuando la alta resistencia a la corrosión no es un criterio principal. Grado común para productos de electrodomésticos, a menudo con un acabado cepillado. [ cita requerida ]
El aluminio se utiliza ampliamente en forma de chapa metálica debido a su flexibilidad, amplia gama de opciones, rentabilidad y otras propiedades. [6] Los cuatro grados de aluminio más comunes disponibles como chapa metálica son 1100-H14, 3003-H14, 5052-H32 y 6061-T6. [5] [7]
El grado 1100-H14 es aluminio comercialmente puro, altamente resistente a los productos químicos y a la intemperie. Es lo suficientemente dúctil para ser embutido profundo y soldable, pero tiene baja resistencia. Se utiliza comúnmente en equipos de procesamiento químico, reflectores de luz y joyería . [5]
El grado 3003-H14 es más resistente que el 1100, manteniendo la misma formabilidad y bajo costo. Es resistente a la corrosión y soldable. Se utiliza a menudo en piezas estampadas , piezas hiladas y estiradas , buzones , gabinetes , tanques y aspas de ventiladores . [5]
El grado 5052-H32 es mucho más resistente que el 3003 y, al mismo tiempo, mantiene una buena formabilidad. Mantiene una alta resistencia a la corrosión y soldabilidad. Las aplicaciones comunes incluyen chasis electrónicos, tanques y recipientes a presión . [5]
El grado 6061-T6 es una aleación de aluminio estructural tratada térmicamente muy común. Es soldable, resistente a la corrosión y más fuerte que el 5052, pero no tan maleable. Pierde parte de su resistencia cuando se suelda. [5] Se utiliza en estructuras de aeronaves modernas. [8]
El latón es una aleación de cobre que se utiliza ampliamente como chapa metálica. Tiene mayor resistencia, resistencia a la corrosión y maleabilidad que el cobre, al tiempo que conserva su conductividad.
En el hidroconformado de láminas, la variación de las propiedades de las bobinas de láminas entrantes es un problema común en el proceso de conformado, especialmente con materiales para aplicaciones automotrices. Aunque las bobinas de láminas entrantes pueden cumplir con las especificaciones de la prueba de tracción, a menudo se observa una alta tasa de rechazo en la producción debido al comportamiento inconsistente del material. Por lo tanto, existe una gran necesidad de un método discriminante para probar la conformabilidad del material de láminas entrantes. La prueba de abombamiento hidráulico de láminas emula las condiciones de deformación biaxial que se observan comúnmente en las operaciones de producción.
Para la formación de curvas límite de materiales como aluminio, acero dulce y latón, se lleva a cabo un análisis teórico derivando ecuaciones reguladoras para determinar la tensión equivalente y la deformación equivalente en función de la curvatura esférica y del criterio de fluencia de Tresca con la regla de fluencia asociada. Para la experimentación, el análisis de rejilla circular es uno de los métodos más eficaces. [9]
Numerosas organizaciones internacionales de normalización desaconsejan el uso de números de calibre para designar el espesor de las chapas metálicas. Por ejemplo, la ASTM establece en la especificación ASTM A480-10a: "Se desaconseja el uso de números de calibre por ser un término arcaico de utilidad limitada y sin un acuerdo general sobre su significado". [10]
El calibre estándar de los fabricantes para chapas de acero se basa en una densidad promedio de 41,82 libras por pie cuadrado por pulgada de espesor, [11] equivalente a 501,84 libras por pie cúbico (8038,7 kg/m 3 ). El calibre se define de manera diferente para metales ferrosos (a base de hierro) y no ferrosos (por ejemplo, aluminio y latón).
Los espesores de calibre que se muestran en la columna 2 (pulgadas decimales (mm) de chapa y placa de hierro y acero estándar de EE. UU.) parecen algo arbitrarios. La progresión de los espesores es clara en la columna 3 (pulgadas (delta) estándar de EE. UU. para chapa y placa de hierro y acero). Los espesores varían primero en 1 ⁄ 32 pulgadas en espesores más altos y luego disminuyen a incrementos de 1 ⁄ 64 pulgadas, luego 1 ⁄ 128 pulgadas, con los incrementos finales en fracciones decimales de 1 ⁄ 64 pulgadas.
Algunos tubos de acero se fabrican doblando una sola lámina de acero en un cuadrado o círculo y soldando la costura. [12] El espesor de sus paredes tiene un calibre similar (pero distinto) al espesor de las láminas de acero. [13]
Durante el proceso de laminado, los rodillos se arquean ligeramente, lo que da como resultado que las láminas sean más delgadas en los bordes. [5] Las tolerancias en la tabla y los anexos reflejan las prácticas de fabricación y los estándares comerciales actuales y no son representativas del calibre estándar del fabricante, que no tiene tolerancias inherentes.
La ecuación para estimar la fuerza máxima de flexión es,
,
donde k es un factor que tiene en cuenta varios parámetros, entre ellos la fricción. T es la resistencia máxima a la tracción del metal. L y t son la longitud y el espesor de la chapa, respectivamente. La variable W es el ancho abierto de una matriz en V o de una matriz de limpieza.
El proceso de curvado se utiliza para formar un borde en un anillo. Este proceso se utiliza para eliminar los bordes afilados. También aumenta el momento de inercia cerca del extremo curvado. La rebaba o el reborde se deben girar en dirección opuesta a la matriz. Se utiliza para curvar un material de un espesor específico. Generalmente se utiliza acero para herramientas debido a la cantidad de desgaste que se produce durante la operación.
Es un proceso de trabajo de metales que consiste en eliminar la comba, la curvatura horizontal, de un material en forma de tira. Puede realizarse en una sección de longitud finita o en rollos. Se parece al proceso de aplanamiento o nivelación, pero en un borde deformado.
El embutido es un proceso de formación en el que el metal se estira sobre una forma o matriz . [19] En el embutido profundo, la profundidad de la pieza que se está fabricando es más de la mitad de su diámetro. El embutido profundo se utiliza para fabricar tanques de combustible para automóviles, fregaderos de cocina, latas de aluminio de dos piezas , etc. El embutido profundo generalmente se realiza en varios pasos llamados reducciones de embutido. Cuanto mayor sea la profundidad, más reducciones se requieren. El embutido profundo también se puede lograr con menos reducciones calentando la pieza de trabajo, por ejemplo, en la fabricación de fregaderos.
En muchos casos, el material se lamina en el laminador en ambas direcciones para facilitar la embutición profunda. Esto produce una estructura de grano más uniforme que limita el desgarro y se conoce como material de "calidad de embutición".
La expansión es un proceso de corte o estampación de ranuras en un patrón alterno, muy similar a la unión por bastidor en la mampostería , y luego se estira la lámina para abrirla como un acordeón. Se utiliza en aplicaciones en las que se desea que el aire y el agua circulen, así como cuando se desea que sea liviana a costa de una superficie plana sólida. Se utiliza un proceso similar en otros materiales, como el papel, para crear un papel de embalaje de bajo costo con mejores propiedades de soporte que el papel plano solo.
El dobladillo es un proceso que consiste en doblar el borde de una chapa metálica sobre sí misma para reforzar ese borde. La costura es un proceso que consiste en doblar dos chapas metálicas para formar una unión.
El hidroconformado es un proceso análogo a la embutición profunda, en el que la pieza se forma estirando la pieza en bruto sobre una matriz estacionaria . La fuerza necesaria se genera mediante la aplicación directa de una presión hidrostática extremadamente alta a la pieza de trabajo o a una cámara de aire que está en contacto con la pieza de trabajo, en lugar de mediante la parte móvil de una matriz en una prensa mecánica o hidráulica. A diferencia de la embutición profunda, el hidroconformado no suele implicar reducciones de la embutición: la pieza se forma en un solo paso.
El proceso de conformado incremental de chapa o de conformado ISF es básicamente un proceso de trabajo de chapa o de conformado de chapa. En este caso, la chapa se forma en su forma final mediante una serie de procesos en los que se puede realizar una pequeña deformación incremental en cada serie.
El planchado es un proceso de trabajo de chapa o de conformado de chapa metálica. Adelgaza uniformemente la pieza de trabajo en un área específica. Este es un proceso muy útil. Se utiliza para producir una pieza con un espesor de pared uniforme y una alta relación altura-diámetro. Se utiliza para fabricar latas de bebidas de aluminio.
La chapa metálica se puede cortar de diversas formas, desde herramientas manuales llamadas tijeras de hojalatero hasta cizallas eléctricas de gran tamaño. Con los avances tecnológicos, el corte de chapa metálica ha recurrido a las computadoras para lograr un corte preciso. Muchas operaciones de corte de chapa metálica se basan en el corte por láser controlado numéricamente por computadora (CNC) o en una prensa punzonadora CNC multiherramienta.
El láser CNC implica mover un conjunto de lentes que transportan un haz de luz láser sobre la superficie del metal. El oxígeno, el nitrógeno o el aire se introducen a través de la misma boquilla de la que sale el haz láser. El metal se calienta y se quema con el haz láser, cortando la lámina metálica. [20] La calidad del borde puede ser suave como un espejo y se puede obtener una precisión de alrededor de 0,1 mm (0,0039 pulgadas). Las velocidades de corte en láminas delgadas de 1,2 mm (0,047 pulgadas) pueden ser de hasta 25 m (82 pies) por minuto. La mayoría de los sistemas de corte por láser utilizan una fuente láser basada en CO2 con una longitud de onda de alrededor de 10 μm ; algunos sistemas más recientes utilizan un láser basado en YAG con una longitud de onda de alrededor de 1 μm.
El mecanizado fotoquímico, también conocido como fotograbado, es un proceso de corrosión estrictamente controlado que se utiliza para producir piezas metálicas complejas a partir de chapa metálica con detalles muy finos. El proceso de fotograbado implica la aplicación de un polímero fotosensible a una chapa metálica en bruto. Mediante el uso de herramientas fotográficas diseñadas con CAD como plantillas, el metal se expone a la luz ultravioleta para dejar un patrón de diseño, que se desarrolla y se graba a partir de la chapa metálica.
La perforación es un proceso de corte que consiste en perforar varios agujeros pequeños muy juntos en una pieza de trabajo plana. La chapa perforada se utiliza para fabricar una amplia variedad de herramientas de corte de superficies, como la surform .
Se trata de una forma de plegado que se utiliza para producir piezas de chapa metálica largas y delgadas. La máquina que dobla el metal se llama prensa plegadora . La parte inferior de la prensa contiene una ranura en forma de V llamada matriz. La parte superior de la prensa contiene un punzón que presiona la chapa metálica hacia abajo en la matriz en forma de V, lo que hace que se doble. [21] Se utilizan varias técnicas, pero el método moderno más común es el "doblado por aire". Aquí, la matriz tiene un ángulo más agudo que el doblez requerido (normalmente 85 grados para un doblez de 90 grados) y la herramienta superior se controla con precisión en su carrera para empujar el metal hacia abajo la cantidad necesaria para doblarlo 90 grados. Normalmente, una máquina de uso general tiene una fuerza de plegado disponible de alrededor de 25 toneladas por metro de longitud. El ancho de apertura de la matriz inferior suele ser de 8 a 10 veces el grosor del metal que se va a doblar (por ejemplo, se podría doblar material de 5 mm en una matriz de 40 mm). El radio interior de la curva formada en el metal no está determinado por el radio de la herramienta superior, sino por el ancho de la matriz inferior. Normalmente, el radio interior es igual a 1/6 del ancho de la V utilizada en el proceso de conformado.
La prensa suele tener algún tipo de tope trasero para posicionar la profundidad del pliegue a lo largo de la pieza de trabajo. El tope trasero puede controlarse por ordenador para permitir al operador realizar una serie de pliegues en un componente con un alto grado de precisión. Las máquinas sencillas controlan únicamente el tope trasero, mientras que las máquinas más avanzadas controlan la posición y el ángulo del tope, su altura y la posición de las dos clavijas de referencia utilizadas para ubicar el material. La máquina también puede registrar la posición exacta y la presión necesarias para cada operación de plegado para permitir al operador lograr un pliegue perfecto de 90 grados en una variedad de operaciones en la pieza.
El punzonado se realiza colocando la lámina de metal entre un punzón y una matriz montada en una prensa. El punzón y la matriz están hechos de acero endurecido y tienen la misma forma. El punzón tiene un tamaño que encaja perfectamente en la matriz. La prensa empuja el punzón contra la matriz y dentro de ella con la fuerza suficiente para cortar un orificio en la lámina. En algunos casos, el punzón y la matriz se "anidan" juntos para crear una depresión en la lámina. En el estampado progresivo , se introduce una bobina de lámina en un conjunto de punzón y matriz largo con muchas etapas. Se pueden producir múltiples orificios de formas simples en una etapa, pero los orificios complejos se crean en múltiples etapas. En la etapa final, la pieza se perfora para liberarla de la "red".
Una punzonadora CNC típica tiene una selección de hasta 60 herramientas en una "torreta" que se puede girar para llevar cualquier herramienta a la posición de punzonado. Una forma simple (por ejemplo, un cuadrado, un círculo o un hexágono) se corta directamente de la chapa. Una forma compleja se puede cortar haciendo muchos cortes cuadrados o redondeados alrededor del perímetro. Una punzonadora es menos flexible que un láser para cortar formas compuestas, pero más rápida para formas repetitivas (por ejemplo, la rejilla de una unidad de aire acondicionado). Una punzonadora CNC puede alcanzar 600 golpes por minuto.
Un componente típico (como el lateral de una carcasa de ordenador) se puede cortar con gran precisión a partir de una hoja en blanco en menos de 15 segundos mediante una prensa o una máquina láser CNC.
Operación de curvado continuo para producir perfiles abiertos o tubos soldados de gran longitud o en grandes cantidades.
El laminado es un proceso de trabajo o conformado de metales. En este método, el material pasa por uno o más pares de rodillos para reducir el espesor. Se utiliza para uniformizar el espesor. Se clasifica según su temperatura de laminado: [22]
El hilado se utiliza para fabricar piezas tubulares (simétricas respecto del eje) fijando un trozo de chapa a un molde giratorio ( mandril ). Los rodillos o herramientas rígidas presionan el material contra el molde, estirándolo hasta que toma la forma del molde. El hilado se utiliza para fabricar carcasas de motores de cohetes, conos de ojiva de misiles, antenas parabólicas y embudos de cocina de metal.
El estampado incluye una variedad de operaciones tales como punzonado, troquelado, estampado, doblado, rebordeado y acuñado; se pueden formar formas simples o complejas a altas tasas de producción; los costos de herramientas y equipos pueden ser altos, pero los costos de mano de obra son bajos.
Alternativamente, las técnicas relacionadas, como el repujado y el cincelado, tienen bajos costos de herramientas y equipos, pero altos costos de mano de obra.
Un cortador por chorro de agua, también conocido como chorro de agua, es una herramienta capaz de realizar una erosión controlada en metal u otros materiales utilizando un chorro de agua a alta velocidad y presión, o una mezcla de agua y una sustancia abrasiva.
El proceso de utilizar una rueda inglesa se denomina wheeling. Básicamente, se trata de un proceso de trabajo o de formación de metales. Un artesano utiliza una rueda inglesa para formar curvas compuestas a partir de una lámina plana de metal de aluminio o acero. Es costoso, ya que se requiere mano de obra altamente calificada. Puede producir diferentes paneles con el mismo método. Una prensa de estampación se utiliza para grandes cantidades de producción. [23]
El uso de chapa metálica, a través de un proceso integral de trabajo en frío, que incluye plegado , cizallamiento, punzonado , corte por láser , corte por chorro de agua , remachado , empalme, etc. para fabricar el producto final que queremos (como chasis de computadora, carcasas de lavadoras, paneles de puertas de refrigeradores, etc.), generalmente lo llamamos fabricación de chapa metálica. La comunidad académica actualmente no tiene una definición uniforme, pero este proceso tiene una característica común del proceso: el material es generalmente una lámina delgada y no cambiará el espesor de la mayor parte del material de la pieza.
Los sujetadores que se utilizan comúnmente en chapa metálica incluyen: clecos , [24] remaches , [25] y tornillos para chapa metálica .
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