La chapa metálica es 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 de más de 6 mm (0,25 pulgadas) de espesor se consideran placas, como las placas de acero, una clase de acero estructural .
La chapa está disponible en piezas planas o en tiras enrolladas. Las bobinas se forman pasando una lámina continua de metal a través de una cortadora de rollos .
En la mayor parte del mundo, el espesor de las chapas se indica sistemáticamente en milímetros. En los EE. UU., el espesor de la chapa metálica se especifica comúnmente mediante una medida tradicional no lineal conocida como calibre . Cuanto mayor sea el número de calibre, más delgado será el metal. La chapa de acero de uso común varía desde el calibre 30 hasta aproximadamente el calibre 7. El calibre difiere entre metales ferrosos ( a base de hierro ) y metales no ferrosos como el aluminio o el cobre. El espesor del cobre, por ejemplo, se mide en onzas, lo que representa el peso del cobre contenido en un área de un pie cuadrado. Las piezas fabricadas con chapa de metal deben mantener un espesor uniforme para obtener resultados ideales. [1]
Hay muchos metales diferentes que se pueden convertir en láminas de metal, como aluminio , latón , cobre , acero , estaño , níquel y titanio . Para usos decorativos, algunas láminas de metal importantes incluyen plata , oro y platino (la lámina de platino también se utiliza como catalizador ). Estas láminas de metal se procesan mediante diferentes tecnologías de procesamiento, entre las que se incluyen principalmente el laminado en frío y el laminado en caliente . A veces , se adopta un proceso de galvanización 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 lámina laminada en frío para obtener una lámina metálica decorativa y protectora, generalmente denominada lámina metálica revestida de color.
La chapa metálica se utiliza en carrocerías de automóviles y camiones , electrodomésticos grandes , fuselajes y alas de aviones , hojalata para latas , techos de edificios (arquitectura) y muchas otras aplicaciones. Las láminas de hierro y otros materiales con alta permeabilidad magnética , también conocidas como núcleos de acero laminado , tienen aplicaciones en transformadores y máquinas eléctricas . Históricamente, un uso importante de la chapa fue en las armaduras de placas usadas por la caballería , y la chapa continúa teniendo muchos usos decorativos, incluso en arreos para caballos . Los trabajadores de chapa también son conocidos como "golpeadores de hojalata" (o "aldabas de hojalata"), un nombre derivado del martilleo de las uniones de los paneles al instalar techos de hojalata. [2]
Las láminas de metal martilladas a mano se utilizan desde la antigüedad con fines arquitectónicos. Los laminadores accionados por agua reemplazaron el proceso manual a finales del siglo XVII. El proceso de aplanar láminas de metal requería grandes cilindros de hierro giratorios que prensaban piezas de metal para convertirlas en láminas. Los metales adecuados para ello eran el plomo, el cobre, el zinc, el hierro y más tarde el acero. El estaño se utilizaba a menudo para recubrir láminas de hierro y acero para evitar que se oxidaran. [3] Esta chapa recubierta de estaño se llamó " hojalata ". Las láminas de metal aparecieron en los Estados Unidos en la década de 1870 y se utilizaron para techos de tejas, techos ornamentales estampados y fachadas exteriores. Los techos de chapa se conocieron popularmente como " techos de hojalata " más tarde, ya que los fabricantes de la época no utilizaban el término. La popularidad tanto de las tejas como de los techos fomentó una producción generalizada. Con nuevos avances en la producción de chapa de acero en la década de 1890, la promesa de ser baratos, duraderos, fáciles de instalar, livianos e incombustibles dio a la clase media un apetito significativo por los productos de chapa. No fue hasta la década de 1930 y la Segunda Guerra Mundial que los metales escasearon y la industria de la chapa comenzó a colapsar. [4] Sin embargo, algunas empresas estadounidenses, como WF Norman Corporation, pudieron permanecer en el negocio fabricando otros productos hasta que los proyectos de preservación histórica ayudaron a la reactivación de la chapa ornamental.
El grado 304 es el más común de los tres grados. Ofrece buena resistencia a la corrosión manteniendo la conformabilidad y la soldabilidad . Los acabados disponibles son #2B, #3 y #4. El grado 303 no está disponible en forma de hoja. [5]
El grado 316 posee más resistencia a la corrosión y resistencia a temperaturas elevadas que el 304. Se usa 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 menor resistencia a la corrosión que los otros grados. Se utiliza habitualmente en cuchillería . El único acabado disponible es opaco. [5]
El grado 430 es una alternativa popular y de bajo costo a los grados de la serie 300. Esto 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 necesaria ]
El aluminio se utiliza ampliamente en forma de chapa debido a su flexibilidad, amplia gama de opciones, rentabilidad y otras propiedades. [6] Los cuatro grados de aluminio más comunes disponibles como chapa son 1100-H14, 3003-H14, 5052-H32 y 6061-T6. [5] [7]
El grado 1100-H14 es aluminio comercialmente puro, altamente resistente a los químicos y a la intemperie. Es lo suficientemente dúctil para embutición profunda y soldable, pero tiene poca resistencia. Se utiliza comúnmente en equipos de procesamiento químico, reflectores de luz y joyería . [5]
El grado 3003-H14 es más fuerte que el 1100, manteniendo la misma formabilidad y bajo costo. Es resistente a la corrosión y soldable. Se utiliza a menudo en estampados , piezas hiladas y trefiladas , buzones de correo , armarios , 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 común. Es soldable, resistente a la corrosión y más fuerte que el 5052, pero no tan moldeable. Pierde algo de su fuerza cuando se suelda. [5] Se utiliza en estructuras de aviones modernos. [8]
El latón es una aleación de cobre que se utiliza ampliamente como chapa. Tiene más fuerza, resistencia a la corrosión y conformabilidad en comparación con el cobre y al mismo tiempo conserva su conductividad.
En el hidroconformado de láminas, la variación en las propiedades de la bobina de lámina entrante es un problema común en el proceso de conformado, especialmente con materiales para aplicaciones automotrices. Aunque la bobina de lámina entrante puede 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 formabilidad del material laminar entrante. La prueba de abultamiento hidráulico de la lámina emula las condiciones de deformación biaxial que se observan comúnmente en las operaciones de producción.
Para formar curvas límite de materiales aluminio, acero dulce y latón. El análisis teórico se lleva a cabo derivando ecuaciones rectoras para determinar la tensión equivalente y la deformación equivalente basándose en el abombamiento para ser esférico y el criterio de fluencia de Tresca con la regla de flujo asociada. Para la experimentación, el análisis de cuadrícula 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 la chapa metálica. Por ejemplo, ASTM establece en la especificación ASTM A480-10a: "Se desaconseja el uso del número de calibre por ser un término arcaico de utilidad limitada que no tiene un acuerdo general sobre su significado". [10]
El calibre estándar de los fabricantes para chapa 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 (8.038,7 kg/m 3 ). El calibre se define de forma 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 láminas y placas de hierro y acero estándar de EE. UU.) parecen algo arbitrarios. La progresión de espesores es clara en la columna 3 (norma estadounidense para láminas y placas de hierro y acero de 64 pulgadas (delta)). 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 incrementos finales en fracciones decimales de 1 ⁄ 64 pulgadas.
Algunos tubos de acero se fabrican doblando una sola hoja de acero en un cuadrado/círculo y soldando las costuras. [12] El espesor de su pared tiene un calibre similar (pero distinto) al espesor de las láminas de acero. [13]
Durante el proceso de laminado , los rodillos se curvan ligeramente, lo que hace que las hojas sean más delgadas en los bordes. [5] Las tolerancias en la tabla y los archivos adjuntos reflejan las prácticas de fabricación y los estándares comerciales actuales y no son representativos 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, incluida 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 rizado se utiliza para formar un borde en un anillo. Este proceso se utiliza para eliminar bordes afilados. También aumenta el momento de inercia cerca del extremo rizado. El ensanchamiento/rebaba debe estar alejado del troquel. Se utiliza para rizar un material de espesor específico. Generalmente se utiliza acero para herramientas debido a la cantidad de desgaste producido por la operación.
Es un proceso de trabajo del metal para eliminar la curvatura, la curvatura horizontal, de un material en forma de tira. Puede realizarse en una sección de longitud finita o en bobinas. Se parece al aplanamiento del proceso de nivelación, pero en un borde deformado.
El trefilado es un proceso de conformado en el que el metal se estira sobre un molde o troquel . [19] En la embutición profunda, la profundidad de la pieza que se está fabricando es más de la mitad de su diámetro. La embutición profunda se utiliza para fabricar tanques de combustible para automóviles, fregaderos de cocina, latas de aluminio de dos piezas , etc. La embutición profunda generalmente se realiza en múltiples pasos llamados reducciones de embutición. Cuanto mayor es la profundidad, más reducciones se requieren. La embutición profunda 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 molino en ambas direcciones para ayudar en la embutición profunda. Esto conduce a una estructura de grano más uniforme que limita el desgarro y se denomina material de "calidad de estirado".
La expansión es un proceso de cortar o estampar hendiduras en patrones alternos muy parecidos a la unión de camilla en ladrillos y luego estirar la hoja para abrirla en forma de acordeón. Se utiliza en aplicaciones donde se desea flujo de aire y agua, así como cuando se desea un peso ligero 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 de doblar el borde de una chapa sobre sí mismo para reforzar ese borde. La unión es un proceso de plegar dos láminas de metal para formar una unión.
El hidroconformado es un proceso análogo a la embutición profunda, en el sentido de que la pieza se forma estirando la pieza en bruto sobre una matriz estacionaria . La fuerza requerida se genera mediante la aplicación directa de una presión hidrostática extremadamente alta a la pieza de trabajo o a una vejiga 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 generalmente no implica reducciones de embutición: la pieza se forma en un solo paso.
El proceso de conformado incremental de láminas o ISF es básicamente un proceso de trabajo de láminas de metal o de conformado de láminas de metal. En este caso, la lámina adquiere 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. Adelgaza uniformemente la pieza de trabajo en un área específica. Este es un proceso muy útil. Se utiliza para producir una pieza de espesor de pared uniforme con una alta relación altura-diámetro. Se utiliza en la fabricación de latas de bebidas de aluminio.
La chapa metálica se puede cortar de varias maneras, desde herramientas manuales llamadas tijeras de hojalatero hasta tijeras eléctricas de gran tamaño. Con los avances tecnológicos, el corte de chapa ha recurrido a las computadoras para realizar cortes precisos. Muchas operaciones de corte de chapa se basan en el corte por láser controlado numéricamente por computadora (CNC) o en una punzonadora CNC con múltiples herramientas.
El láser CNC implica mover un conjunto de lentes que transporta un haz de luz láser sobre la superficie del metal. El oxígeno, el nitrógeno o el aire se alimentan a través de la misma boquilla por la que sale el rayo láser. El metal se calienta y quema mediante el rayo láser, cortando la lámina de metal. [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 alcanzar hasta 25 m (82 pies) por minuto. La mayoría de los sistemas de corte por láser utilizan una fuente láser basada en CO 2 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 con detalles muy finos. El proceso de fotograbado implica la aplicación de un polímero fotosensible a una lámina de metal en bruto. Utilizando 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 graba a partir de la lámina de metal.
La perforación es un proceso de corte que perfora múltiples agujeros pequeños juntos en una pieza de trabajo plana. La chapa perforada se utiliza para fabricar una amplia variedad de herramientas de corte de superficies, como el surform .
Esta es una forma de doblado que se utiliza para producir piezas de chapa largas y delgadas. La máquina que dobla el metal se llama 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 lámina de metal hacia el troquel en forma de V, provocando que se doble. [21] Se utilizan varias técnicas, pero el método moderno más común es la "flexión con aire". Aquí, el troquel tiene un ángulo más agudo que la curvatura requerida (normalmente 85 grados para una curvatura 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 flexión disponible de alrededor de 25 toneladas por metro de longitud. El ancho de abertura del troquel inferior suele ser de 8 a 10 veces el espesor del metal que se va a doblar (por ejemplo, se podría doblar material de 5 mm en un troquel de 40 mm). El radio interior de la curvatura formada en el metal no está determinado por el radio de la herramienta superior, sino por el ancho del troquel inferior. Normalmente, el radio interior es igual a 1/6 del ancho en V utilizado en el proceso de conformado.
La prensa generalmente tiene algún tipo de tope trasero para posicionar la profundidad del doblez a lo largo de la pieza de trabajo. El tope trasero puede controlarse por computadora para permitir al operador realizar una serie de curvaturas en un componente con un alto grado de precisión. Las máquinas simples controlan sólo el tope, 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 localizar el material. La máquina también puede registrar la posición exacta y la presión requerida para cada operación de plegado para permitir al operador lograr un plegado perfecto de 90 grados en una variedad de operaciones de 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 tamaño del punzón se ajusta muy bien al troquel. La prensa empuja el punzón contra y dentro del troquel con fuerza suficiente para hacer un agujero en la culata. En algunos casos, el punzón y la matriz se "encajan" juntos para crear una depresión en el material. En el estampado progresivo , se introduce una bobina de material en un conjunto de troquel/punzón 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 libera de la "red".
Un punzón de torreta CNC típico tiene una opción de hasta 60 herramientas en una "torreta" que se puede girar para llevar cualquier herramienta a la posición de punzonado. Se corta directamente de la hoja una forma sencilla (por ejemplo, un cuadrado, un círculo o un hexágono). Se puede recortar una forma compleja haciendo muchos cortes cuadrados o redondeados alrededor del perímetro. Un punzón es menos flexible que un láser para cortar formas compuestas, pero más rápido para formas repetitivas (por ejemplo, la rejilla de una unidad de aire acondicionado). Un punzón CNC puede alcanzar 600 golpes por minuto.
Un componente típico (como el lateral de la carcasa de una computadora) se puede cortar con alta 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 la producción de perfiles abiertos o tubos soldados de grandes longitudes o en grandes cantidades.
El laminado es un proceso de trabajo o formación de metales. En este método, el material pasa a través de uno o más pares de rodillos para reducir el espesor. Se utiliza para uniformar el espesor. Se clasifica según su temperatura de laminación: [22]
El hilado se utiliza para fabricar piezas tubulares (simétricas del eje) fijando una pieza de lámina a una forma giratoria ( mandril ). Rodillos o herramientas rígidas presionan la culata contra el formulario, estirándola hasta que la culata toma la forma del formulario. El hilado se utiliza para fabricar carcasas de motores de cohetes, conos de punta de misiles, antenas parabólicas y embudos de cocina de metal.
El estampado incluye una variedad de operaciones como punzonado, corte, 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 de repujado y persecución 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 llama wheeling. Es básicamente un proceso de trabajo o conformado 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. Para grandes cantidades de producción se utiliza una prensa de estampado. [23]
El uso de chapa, a través de un proceso integral de trabajo en frío, que incluye doblado , cizallado, 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 lavadora, paneles de puertas de refrigeradores, etc.), generalmente llamamos fabricación de chapa. 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 cambia el espesor de la mayor parte del material de la pieza.
Los sujetadores que se usan comúnmente en chapa incluyen: clecos , [24] remaches , [25] y tornillos para chapa .
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