Laminado de Perfiles
La deformación volumétrica en el trabajo de metales en general se menciona estos procesos cuando se tiene una parte inicial más voluminosa que laminar, y las deformaciones son significativas con referencia a su forma inicial. Los procesos de deformación volumétrica son: 1) laminado, 2) forjado, 3) extrusión, 4) estirado de alambre y barras. En esta investigación se enfoca en el proceso de laminado de perfiles Este proceso se pueden clasificar en: operaciones en frió o en caliente. Se realiza las operaciones en frió cuando la deformación no es tan significativa y se requiere mejorar las propiedades mecánicas de las partes con un buen acabado superficial. El trabajo en caliente se realiza cuando la deformación es significativa comparada con la parte original.
La importancia tecnológica y comercial de los procesos de deformación volumétrica deriva de lo siguiente:
· Con las operaciones de trabajo en caliente se pueden lograr cambios significativos en la forma de las partes de trabajo.
· Las operaciones de trabajo en frío se pueden usar no solamente para dar forma al trabajo, sino también para incrementar su resistencia.
· Estos procesos producen poco o ningún desperdicio como subproducto de la operación. Algunas operaciones de deformación volumétrica son procesos de forma neta o casi neta; se alcanza la forma final con poco o ningún maquinado posterior.
El acero que se utiliza para la construcción de estructuras metálicas y obras públicas, se obtiene a través de la laminación de acero en una serie de perfiles normalizados de acuerdo a las Normas Técnicas de Edificación.
El conformado del acero por laminado se adopta en todos los casos en que sea posible, por la rapidez de la operación y, consiguientemente, su menor costo.
Las operaciones de laminado se llevan a cabo en trenes de laminación que se denominan según el tipo de producto que proporcionan. El acero se produce en una gran variedad de formas y tamaños, como chapas, varillas, tubos, raíles (rieles) de ferrocarril o perfiles en I, en H, en T, L, entre otros.
Estas formas se obtienen en las instalaciones siderúrgicas laminando los lingotes calientes o modelándolos de algún otro modo. Como ya se ha indicado, el laminado del acero mejora también su calidad al refinar su estructura cristalina y aumentar su resistencia.
El método principal de trabajar el acero se conoce como laminado en caliente.
Laminado de Perfiles
El laminado es un proceso de deformación en el cual el metal pasa entre dos rodillos y se comprime mediante fuerzas de compresión ejercidas por los rodillos. Los rodillos giran, para jalar el material y simultáneamente apretarlo entre ellos.
Un proceso estrechamente relacionado es el laminado de perfiles, en el cual una sección transversal cuadrada se transforma en un perfil, como por ejemplo un perfil I. La mayoría de los procesos de laminado involucra una alta inversión de capital, ya que se requiere equipos pesados llamados molinos laminadores o de laminación, El alto costo de inversión requiere que la producción sea en grandes cantidades y por lo general artículos estándares como láminas y placas. La mayoría de los productos laminados se realizan en caliente debido a la gran cantidad de deformación requerida, y se le llama laminado en caliente. Los metales laminados en caliente están generalmente libres de esfuerzos residuales y sus propiedades son isotrópicas. Las desventajas del laminado en caliente son que el producto no puede mantenerse dentro de tolerancias adecuadas, y la superficie presenta una capa de óxido característica.
Fase de laminación
Proceso de Laminación
Examinemos la secuencia de pasos en un molino de laminación para ilustrar la variedad de productos que pueden hacerse. El trabajo empieza con un lingote de acero fundido y recién solidificado, Aún caliente el lingote se coloca en un horno donde permanece por muchas horas, hasta alcanzar una temperatura uniforme en toda su extensión, para que pueda fluir consistentemente durante el laminado. Para el acero, la temperatura de laminación es alrededor de 1200 ºC. La operación de calentamiento se llama recalentada, y los hornos en los cuales se lleva a cabo se llaman fosas de recalentamiento.
FIGURA 2 Proceso de laminación, específicamente laminado plano.
FIGURA 3 Algunos productos de acero hechos en molino de laminación.
El lingote recalentado pasa al molino de laminación, donde se lamina para convertirlo en una de las tres formas intermedias llamadas lupias, tochos o planchas. Una lupia tiene una sección transversal cuadrada de 150 mm de lado o mayor. Un tocho se lamina a partir de una lupia, es de sección transversal cuadrada de 38 mm por lado o mayor. Una plancha se lamina a partir de un lingote o de una lupia y, tiene una sección rectangular de 250 mm de ancho o más, y un espesor de 38 mm o más.
Estas formas intermedias se laminan posteriormente para convertirlas en productos finales. Las lupias se laminan para generar perfiles estructurales y rieles para ferrocarril. Los tochos se laminan para producir barras y varillas. Estas formas son la materia prima para el maquinado, estirado de alambre, forjado y otros procesos de trabajo de metales. Las planchas se laminan para convertirlas en placas, láminas 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 3 muestra algunos de estos productos laminados de acero.
Laminado plano y su análisis
FIGURA 4
Vista lateral del laminado plano indicando el espesor antes y después, las velocidades de trabajo, el ángulo de contacto con los rodillos y otras características.
El laminado plano se ilustra en las figuras 2. y 4 . 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 material de trabajo entre dos rodillos de manera que su espesor se reduce
(2)
Donde:
= diferencia, (mm);
= espesor inicial, (mm);
= espesor final, (mm)
Algunas veces se expresa la diferencia d como una fracción del espesor inicial to llamada reducción r:
Cuando se usa una serie de operaciones de laminado la reducción se toma como la suma de los adelgazamientos dividida entre el espesor original.
Además de reducir el espesor, el laminado incrementa usualmente el ancho del material de trabajo.
Esto se llama esparcido y tiende a ser más pronunciado con bajas relaciones entre espesor y ancho, así como con bajos coeficientes de fricción. Existe la conservación del material, de tal manera que el volumen de metal que sale de los rodillos es igual al volumen que entra a los rodillos.
(4)
Donde:
Son ancho y largo iniciales de trabajo (mm).
Son ancho y largo finales de trabajo (mm).
De igual forma, la velocidad volumétrica del material antes y después debe ser la misma, así que las Velocidades pueden relacionarse antes y después de la siguiente manera:
(5)
Donde
y 
son las velocidades de entrada y salida del material de trabajo.
Los rodillos entran en contacto con el material de trabajo, a lo largo de un arco de contacto definido por el ángulo 
. Cada rodillo tiene un radio R y su velocidad de rotación, tiene una velocidad superficial vr . Esta velocidad es mayor que la velocidad de trabajo vo y menor que la velocidad de salida v f . Como el flujo de metal es continuo, hay un cambio gradual en la velocidad del material de trabajo entre los
Rodillos.
Sin embargo, existe un punto a lo largo del arco donde la velocidad de trabajo se iguala la velocidad del rodillo. Este punto se llama punto de no deslizamiento, también conocido como punto neutro. A cualquier lado de este punto, ocurren deslizamientos con fricción entre el rodillo y el material de trabajo.
La cantidad de deslizamiento entre los rodillos y el material de trabajo puede medirse por medio del deslizamiento hacia adelante, este término se usa en laminado y se define como:
(6)
Donde:
s = deslizamiento hacia adelante,
= velocidad final del trabajo (salida), (m/seg);
= velocidad del rodillo (m/seg).
La deformación real, experimentada por el material de trabajo, se basa en el espesor del material antes y después del laminado. En forma de ecuación:
(7)
Se puede usar la deformación real para determinar el esfuerzo de fluencia promedio Yf aplicado al material de trabajo en el laminado plano.
(8)
El esfuerzo de fluencia promedio será útil para calcular las estimaciones de fuerza y potencia en laminado.
La fricción se presenta en el laminado con un cierto coeficiente de fricción, la fuerza de compresión de los rodillos, multiplicada por este coeficiente de fricción da por resultado una fuerza de fricción entre los rodillos y el material de trabajo. En el lado de la entrada, fuerza de fricción tiene una dirección; en el otro lado, tiene la dirección opuesta. Sin embargo, las dos fuerzas no son iguales. La fuerza de fricción es mayor en la entrada, de manera que la fuerza neta que jala el material de trabajo a través de los rodillos. El laminado no sería posible sin estas diferencias. Hay un límite para el máximo d posible que puede Alcanzar el laminado plano con un coeficiente de fricción, dado por:
(9)
Donde:
= diferencia máxima, (mm);
= coeficiente de fricción
R = radio del rodillo, (mm).
La ecuación indica que si la fricción fuera cero, el adelgazamiento podría ser cero y esto haría Imposible la operación de laminado.
Valores típicos de coeficientes de fricción
|
Tipo de laminado
|
Coeficiente de Fricción m
|
|
Laminado en frió
Laminado en tibio
Laminado en caliente
|
0.1
0.2
0.4
|
El laminado en caliente se caracteriza frecuentemente por una condición llamada adherencia en la cual la superficie caliente del material de trabajo se pega a los rodillos sobre el arco de contacto. Esta condición ocurre frecuentemente en el laminado de aceros y aleaciones para alta temperatura. Cuando ocurre la adherencia, el coeficiente de fricción puede ser tan alto como 0.7. La consecuencia de la adherencia es que las capas superficiales del material de trabajo no se pueden mover a la misma velocidad que la velocidad del rodillo vr y debajo de la superficie la deformación es más severa a fin de permitir el paso de la pieza a través de la abertura entre los rodillos.
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 integrando la presión unitaria de laminado (mostrada como p en la figura 4) sobre el área de contacto rodillo-material de trabajo. Esto se puede expresar como sigue:
(10)
Donde:
= fuerza de laminado (N)
w = ancho del material de trabajo que se está laminando, (mm)
= presión de laminado, (MPa);
= longitud de contacto entre el rodillo y el material de trabajo, (mm).
La integración requiere dos términos separados, uno a cada lado del punto neutro. Las variaciones, en la presión del rodillo a lo largo de la longitud de contacto son significativas. La figura 5 da una idea de esta variación. La presión alcanza un máximo en el punto neutro y se desvanece a cada lado de los puntos de entrada y salida. Al aumentar la fricción, la presión se incrementa al máximo relativo entre los valores de entrada y salida. Al disminuir la fricción el punto neutro se corre hacia la salida a fin de mantener una fuerza neta que jale el material en la dirección del laminado. De otra forma, con una baja fricción, el material de trabajo podría deslizarse en lugar de pasar entre los rodillos.
FIGURA 5
Variaciones típicas de presión a lo largo de la longitud dé contacto en el laminado plano. La presión pico se localiza en el punto neutro. El área bajo la curva, representada por la integración de la ecuación 10, es la fuerza de laminación F. Se puede calcular una aproximación de los resultados obtenidos por la ecuación 10, con base en el esfuerzo de fluencia promedio que experimenta el material durante el proceso de laminado. Esto es:
f
(11)
Donde:
Yf = esfuerzo de fluencia promedio de la ecuación 8, (MPa);
wl = es el área de contacto rodillo-material de trabajo, (m2)
La longitud de contacto se puede aproximar mediante:
L = R(to - t f ) (12)
El momento de torsión en laminado se puede estimar suponiendo que la fuerza ejercida por los rodillos se centra en el material de 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:
T = 0.5FL (13)
La potencia requerida para mover cada rodillo es el producto del momento de torsión y la velocidad angular. La velocidad angular es 
N / 30, donde N = velocidad de rotación del rodillo en (rev/min).
Así, la potencia para cada rodillo es:
(14)
Al sustituir la ecuación 13 en la expresión anterior para la potencia de un rodillo, y al duplicar el valor, ya que un molino de laminado posee dos rodillos, obtenemos la siguiente expresión.
(15)
Donde
P = potencia (W);
N = velocidad de rotación (rev/min);
F = fuerza de laminado, (N);
L = longitud de contacto, (m).
Tipos de Perfiles
El tipo de perfil de las vigas de acero, y las cualidades que estas tengan, son determinantes a la elección para su aplicación y uso en la ingeniería y arquitectura. Entre sus propiedades están su forma o perfil, su peso, particularidades y composición química del material con que fueron hechas, y su longitud.
Entre las secciones más conocidas y más comerciales, que se brinda según el reglamento que lo ampara, se encuentran los siguientes tipos de laminados, se enfatiza que el área transversal del laminado de acero influye mucho en la resistencia que está sujeta por efecto de fuerzas.
Perfil IPN: Perfil con sección en forma de I, de acero laminado estructural, cuya altura es mayor que la anchura de las alas, inclinadas unos 14° con respecto al alma, de bordes interiores redondeados y aristas en el exterior; empieza a ser reemplazado por el perfil europeo o perfil IPE. También llamado perfil europeo, perfil IPE, perfil normal.
Se denomina Sección en I con alas inclinadas, Perfil I normal o Doble T normal (IPN), al producto cuya sección tiene forma de I, denominada doble T.
Los perfiles IPN se definen de acuerdo con las siguientes normas:
- UNE 36521:1996 - Productos de Acero. Sección en I con alas inclinadas (antiguo IPN). Medidas.
- UNE-EN 10024:1995 - Productos de Acero laminado en caliente. Sección en I con alas inclinadas. Tolerancias dimensionales y de forma.
Las caras exteriores de las alas son perpendiculares al alma y las interiores presentan una inclinación del 14% respecto a aquéllas (I de caras inclinadas), por lo que las alas tienen espesor decreciente hacia los bordes.
Las uniones entre las caras del alma y las caras interiores de las alas son redondeadas. Estas tienen el borde con arista exterior viva e interior redondeada.
Estos perfiles son designados por las letras IPN, seguidas de un número que indica la altura total nominal (h) del perfil, expresada en milímetros.
Las medidas, masas, pesos y propiedades geométricas y mecánicas presentadas en las tablas del programa corresponden al perfil teórico.
Ver anexo Nº1
Perfil UPN: Se denomina Perfil U Normal (UPN) al producto cuya sección tiene forma de U.
Los Perfiles UPN se definen de acuerdo con la siguiente norma:
- UNE 36522:1972 - Productos de Acero. Perfil U Normal (UPN). Medidas y tolerancias.
- UNE-EN 10279:2001 - Perfiles en U de Acero laminado en caliente. Tolerancias dimensionales, de la forma y de la masa.
Las caras exteriores de las alas son perpendiculares al alma y las interiores presentan una inclinación del 8% o 5% respecto a aquéllas (U de caras inclinadas), por lo que las alas tienen espesor decreciente hacia los bordes.
Las uniones entre la cara interior del alma y las caras interiores de las alas son redondeadas. Estas tienen el borde con arista exterior viva e interior redondeada.
Estos perfiles son designados por las letras UPN, seguidas de un número que indica la altura total nominal (h) del perfil, expresada en milímetros.
Las medidas, masas, pesos y propiedades geométricas y mecánicas presentadas en las tablas del programa corresponden al perfil teórico.
Ver anexo N º2
Perfil HE: Se denomina perfil HE, o perfil de alas anchas y caras paralelas, al producto cuya sección tiene forma de H.
Los perfiles HE se definen de acuerdo con las siguientes normas:
- UNE 36524:1994 - Productos de Acero laminados en caliente. Perfiles HE de alas anchas y caras paralelas. Medidas.
- UNE-EN 10034:1994 - Perfiles I y H de acero estructural. Tolerancias dimensionales y de forma.
Las caras exteriores e interiores de las alas son perpendiculares al alma, por lo que aquéllas tienen espesor constante (caras paralelas).
Las uniones entre las alas y el alma son redondeadas y las aristas de las alas son vivas.
Existen tres series de perfiles HE, (ver figura siguiente de perfiles):
- Perfil HEA - más ligero que el HEB
- Perfil HEM - más pesado que el HEB
Para los perfiles de altura nominal del perfil HEB igual o inferior a 300mm, la anchura de las alas (b) es igual a la altura h. Para los perfiles de h>300mm, la anchura de las alas es igual a 300mm.
Estos perfiles son designados por las letras HEB, HEA o HEM, seguidas de un número que indica la altura total nominal (h) del perfil base HEB, expresada en milímetros.
Ver anexo Nº3
Perfil L: Se denomina Perfil Angular de Lados Iguales al producto cuya sección tiene forma de L.
Los perfiles angulares de lados iguales se definen de acuerdo con las siguientes normas:
- UNE-EN 10056-1:1999 - Angulares de lados iguales y desiguales de acero estructural. Parte 1: Medidas.
- UNE-EN 10056-2:1994 - Angulares de lados iguales y desiguales de acero estructural. Parte 2: Tolerancias dimensionales y de forma.
Las caras exteriores e interiores de las alas son paralelas, por lo que las alas tienen espesor constante.
La unión interna entre las alas es redondeada, mientras que la exterior es una arista viva.
Los bordes de las alas presentan aristas vivas en su exterior y redondeadas en su interior.
Estos perfiles son designados por la letra L, seguida de la anchura del ala (h), la anchura de la otra ala (en este caso, las anchuras de las alas son iguales) y el espesor del ala (t), todos expresados en milímetros.
Ver anexo N º4
Molinos laminadores
Se dispone de varias configuraciones para los molinos laminadores que manejan una variedad de aplicaciones y problemas técnicos en los procesos de laminación. El molino de laminación básico consiste en dos rodillos opuestos y se denomina molino de laminación de dos rodillos, el cual se muestra En las figuras 16 y 17(a). Los rodillos en estos molinos tienen diámetros que van de 0.6 a 1.4 m. La configuración dos rodillos puede ser reversible o no reversible. En el molino no reversible los rodillos giran siempre en la misma dirección y el trabajo siempre pasa a través del mismo lado. El molino reversible permite la rotación de los rodillos en ambas direcciones, de manera que el trabajo puede pasar a través de cualquier dirección. Esto permite una serie de reducciones que se hacen a través del mismo juego de rodillos, pasando simplemente el trabajo varias veces desde direcciones opuestas.
La desventaja de la configuración reversible es el momento angular significativo debido a la rotación de grandes rodillos, y los problemas técnicos asociados a la reversibilidad de la dirección.
FIGURA 16
Un molino para laminado plano en caliente, la placa de acero se ve como
una tira brillante que se extiende diagonalmente desde la esquina inferior izquierda
(cortesía de Bethlehem Steel Company).
En la figura 17 se ilustran algunos arreglos alternativos. En la configuración de tres rodillos, figura 17 (b), hay tres rodillos en una columna vertical y la dirección de rotación de cada rodillo permanece sin cambio. Para lograr una serie de reducciones se puede pasar el material de trabajo en cualquier dirección, ya sea elevando bajando la tira después de cada paso. El equipo en un molino de tres rodillos se vuelve más complicado debido al mecanismo elevador que se necesita para elevar o bajar el material de trabajo. Como indican las ecuaciones anteriores, se ganan algunas ventajas al reducir el diámetro de los rodillos.
La longitud de contacto entre los rodillos y el trabajo se reduce con un menor radio de los rodillos y esto conduce a fuerzas más bajas, menor momento de torsión, y menor potencia. En los molinos de cuatro rodillos se usan dos rodillos de diámetro menor para hacer contacto con el trabajo y dos rodillos detrás como respaldo, como se muestra en la figura 17 (c). Debido a las altas fuerzas de laminado, los rodillos menores podrían desviarse elásticamente con el paso de la laminación, sí no fuera por los rodillos más grandes de respaldo que los soportan. Otra configuración que permite el uso de rodillos menores contra el trabajo es el molino en conjunto o racimo, figura 17 (d).
FIGURA17.
Varias configuraciones de molinos de laminación: (a) dos rodillos, (b) tres
Rodillos, (c) cuatro rodillos, (d) molino en conjunto y (e) molino de rodillos en tándem.
Para lograr altas velocidades de rendimiento en los productos estándar se usa frecuentemente un molino de rodillos tándem. Esta configuración consiste en una serie de bastidores de rodillos como se aprecia en la figura 17 (e). Aunque sólo se muestran tres bastidores en nuestro diagrama un molino laminador en tándem puede tener ocho o diez pares de rodillos, y cada uno realiza una reducción en el espesor o un refinamiento en la forma del material de trabajo que pasa entre ellos. A cada paso de laminación se incrementa la velocidad haciendo significativo el problema de sincronizar las velocidades de los rodillos en cada etapa.
Otras operaciones de laminado
Algunos otros procesos, de deformación volumétrica usan rodillos para formar las partes de trabajo, estas operaciones incluyen laminado de anillos, laminado de cuerdas, laminado de engranes y perforado de rodillos.
Laminado de anillos
El laminado de anillos es un proceso de deformación que lamina las paredes gruesas de un anillo para obtener anillos de paredes más delgadas, pero de un diámetro mayor. La figura 18 ilustra el proceso antes y después. Conforme el anillo de paredes gruesas se comprime, el material
se alarga, ocasionando que el diámetro del anillo se agrande. El laminado de anillos se aplica usualmente en procesos de trabajo en caliente para anillos grandes y en procesos de trabajo en frío para anillos pequeños.
FIGURA 18 laminación de anillos que se usa para reducir el espesor e incrementar su
Diámetro: (1) inicio y (2) proceso terminado
Las aplicaciones de laminado de anillos incluyen collares para rodamientos de bolas y rodillos, llantas de acero para ruedas de ferrocarril y cinchos para tubos, recipientes a presión y máquinas rotatorias. Las paredes de los anillos no se limitan a secciones rectangulares, el proceso permite la laminación de formas más complejas. Las ventajas del laminado de anillos sobre otros métodos para fabricar las mismas partes son: el ahorro de materias primas, la orientación ideal de los granos para la aplicación el endurecimiento a través del trabajo en frío.
CONCLUSIONES
Habiendo estudiado una parte de la información disponible sobre el tema, se concluye que mediante el proceso de laminado de perfiles el metal pasa a través de ciertas fases como su composición externa e interna, manteniendo el volumen constante sin generar perdida de material.
Por esta razón es que se procesan a tan elevadas temperaturas, para poder así llegar a la sección trasversal deseada generándose también mayor resistencia en el elemento, propiedad muy importante a la hora del diseño de estructuras.
A demás cada uno de estos perfiles que se generan por medio de este proceso van hacer sometidos a diferentes estados de esfuerzos tantos de flexión como torsión, Para ello cada unos de los tipos de perfiles tienen una gama de aplicaciones de acuerdo con sus propiedades.
BIBLIOGRAFÍAS
HOFF DAHALL.(1995) LAMINACION. EDITORIAL DOSSAT C.A. MADRID.
JESUS DEL RIO. (1980). DEFOMACION PLASTICA DELOS MATERIALES. EDITORIAL
GUSTAVO GILI, S.A. BARCELONA
