Usuari:Mcapdevila/Laminació

La laminació o laminat és un procés de conformació plàstica en què el metall flueix de manera contínua i en una direcció preferent, mitjançant forces de compressió.

Laminat

El laminat és un procés de deformació volumètrica en què es redueix el gruix inicial del material treballat mitjançant les forces de compressió que exerceixen dos corrons sobre la peça/material de treball. Els corrons giren en sentits oposats perquè flueixi el material entre ells, exercint forces de compressió en passar entre ells i de cisallament originades pel fregament que es produeix entre els corrons i el metall. Els processos de laminat requereixen gran inversió de capital, a causa d'això els molins de laminat s'usen per a la producció de grans quantitats de productes estàndard (làmines, plaques, etc.).

Els processos de laminat es realitzen, en la seva gran majoria, en calent per la gran deformació exercida sobre el material treballat. A més, els materials laminats en calent tenen propietats isotròpiques i no tenen tensions residuals. Els principals inconvenients que presenta el laminat en calent són que el producte no pot mantenir-se dins de toleràncies adequades, i que la superfície de la peça queda coberta per una capa d'òxid característica.

Laminació en fred

Laminació en calent

Laminat pla amb reescalfament previ:

Animació que mostra esquemàticament el procés de laminació.

Aplicacions

El laminat es fa servir en els processos de fabricació dels acers, alumini, coure, magnesi, plom, estany, zinc, i els seus aliatges. Gairebé tots els metalls utilitzats en la indústria, han sofert una laminació en alguna etapa de la seva conformació. Encara que la principal aplicació del laminat és la «laminació de l'acer».

La principal aplicació de la laminació és la producció d'acer. La temperatura de la laminació de l'acer és d'uns 1200 °C, els lingots d'acer inicials, que s'obtenen per fosa, s'eleven a aquesta temperatura en uns forns anomenats «fosses de reescalfament» i el procés en el qual elevem la temperatura del lingot rep el nom de «reescalfat».

Els lingots d'acer reescalfats passen al molí de laminació en què es laminen per convertir-los en una de les tres formes intermèdies: Lupi, totxos o planxes. Les lupia s'utilitzen per generar perfils estructurals i guies per a ferrocarril, els totxos es laminen per obtenir barres i varetes. I les planxes es laminen per produir plaques, làmines i tires. El laminat posterior de les plaques i làmines sol realitzar-se en fred.

Anàlisi del laminat pla

El laminat pla comprèn el laminat de peces amb secció transversal rectangular amb un ample major que el gruix. En el laminat pla es redueix el gruix de la peça una quantitat que anomenem «diferència»:

$d=t_{0}-t_{f}$

On: d = diferència (mm); to = gruix inicial (mm); tf = gruix final (mm).

De vegades la «diferència» s'expressa en relació al gruix inicial com la «reducció»:

$r=d/t_{0}$

En el cas que es produeixin diverses operacions de laminat, la reducció és la suma dels aprimaments dividida entre el gruix inicial.

En l'operació de laminat, en reduir el gruix, augmenta l'amplada i la longitud del material de treball. Però hi ha una relació respecte a les dimensions inicials a causa de la conservació del material, de manera que el volum inicial és igual al volum final:

$t_{0}\cdot W_{0}\cdot L_{0}=t_{f}\cdot W_{f}\cdot L_{f}$

On: Wo, Ho són ample i llarg inicials de treball (mm); Wf, Lf són ample i llarg finals de treball (mm).

En el laminat pla també roman constant la velocitat volumètrica del material, per tant, la velocitat d'entrada (inicial) i sortida (final) del material es relacionen de la següent manera:

$t_{0}\cdot W_{0}\cdot v_{0}=t_{f}\cdot W_{f}\cdot v_{f}$

On: tiu i vf són les velocitats d'entrada i sortida del material de treball.

La superfície dels rodets, que està en contacte amb el material al llarg d'un arc definit per l'angle: $\theta$ , Té una velocitat superficial: $v_{r}$ aquesta velocitat és menor que: $v_{f}$ i més gran que: $v_{0}$

Al llarg de la superfície de contacte amb els rodets la velocitat del material va canviant gradualment i hi ha un punt al llarg de l'arc en el qual la velocitat del material és la mateixa que la dels corrons. Aquest punt rep el nom de «punt neutre». A banda i banda d'aquest punt es produeixen esllavissades i fricció entre el material i els rodets. La quantitat de lliscament que es produeix entre el material i els rodets es mesura com «lliscament cap endavant»:

$s={\frac {v_{f}-v_{r}}{v_{r}}}$

On: s = lliscament cap endavant, vf = velocitat final del treball (sortida) (m/s); vr = velocitat del corró (m/s).

Esquema que mostra els rodets de laminació.

Expressem en forma d'equació la deformació real a partir del gruix inicial i final del material de treball. Utilitzem la deformació real per obtenir l'esforç de fluència mitjana ${\bar {i_{f}}}$, que es fa servir per obtenir les estimacions de força i potència de l'operació de laminat:

${\bar {i_{f}}}={\frac {K\epsilon }{1+n}}$

Hi ha un límit màxim per al «d» que pot assolir en l'operació de laminat pla:

$d_{max}=\mu ^{2}\cdot R$

On: dmax = diferència màxima (mm); μ = coeficient de fricció, que depèn d'alguns factors com la lubricació, el material, la temperatura, etc i R = radi del rodet (mm).

L'estimació de la força necessària per a l'operació de laminat s'obté de l'equació:

$F={\bar {i_{f}}}WL$

També podem estimar el moment de torsió per a cada corró:

$F=0.5FL$

I finalment, per obtenir la potència necessària per realitzar l'operació de laminat apliquem aquesta expressió:

$P=2\pi NFL$

On P = potència (W); N = velocitat de rotació (rev/min); F = força de laminat (N); L = longitud de contacte (m).

Com reduir la força de laminació

Aquestes forces poden arribar a causar aixafament dels corrons i deflexió que afecten de forma negativa el procés de laminat. A més el tren de laminació (carcassa, falques i rodaments) pot estirar a causa d'aquestes forces de manera que el buit de laminació s'obri significativament. En conseqüència els corrons han d'ajustar-se més prop del que s'ha calculat així compensarà aquesta deflexió i s'obtindrà el gruix desitjat.

Procediments per reduir forces de laminació.

• A) Reduir la fricció.
• B) Reduir l'àrea de contacte reduint el diàmetre dels corrons.
• C) Efectuar reduccions més petites per passada, per tal de reduir l'àrea de contacte.
• D) Reduir la resistència del material elevant la temperatura en el procés.

Un altre mètode és aplicant tensions longitudinals a la tira durant la laminació, ja que aquestes redueixen els esforços a la compressió requerits per deformar plàsticament. Les tensions aplicades a la tira poden ser aplicades a la zona d'entrada (tensió posterior) oa la zona de sortida (tensió anterior o frontal) o en ambdues.

La tensió posterior és aplicada al full sotmetent al rotlle de subministrament que alimenta el full a una acció de frenada mitjançant un procediment adequat.

La tensió anterior s'aplica en augmentar la velocitat de rotació al rotllo tensor. Si la laminació s'efectua únicament aplicant tensió anterior sense aplicar potència als rodets es diu laminació Steckel.

Laminat de perfils

Tren contínu de laminació

Al laminat de perfils, el material de treball es deforma per generar la secció transversal del perfil desitjat. Per aquest procediment es realitzen perfils de construcció com perfils en R, en L i canals en U; rails per a vies de ferrocarril i barres rodones i quadrades, així com varetes. El material de treball passa a través de corrons que tenen imprès el revers de la forma desitjada.

Els principis que s'apliquen al laminat pla poden aplicar-se al laminat de perfils en la seva gran majoria. Els rodets formadors són més complicats, i el material inicial, de manera usualment quadrada, requereix una transformació gradual a través de diversos rodets per arribar a la secció final. Es dissenya una seqüència de formes intermèdies, amb els seus corresponents rodets, per aconseguir una deformació uniforme a través de les seccions transversals de cada reducció i així evitar una major elongació en aquestes seccions que podria suposar torçades i esquerdament del producte laminat.

Molins laminadors

Cilindre de laminació

Hi ha diversos tipus de molins de laminació amb diferents configuracions. El molí de laminació més comú consite en dos corrons oposats i es coneix com a molí de laminació "de dos corrons» (A), aquest tipus de configuració pot ser reversible o no reversible. En el molí no reversible, en girar sempre en la mateixa direcció, el material de treball entra sempre pel mateix costat, i al reversible el material de treball pot entrar per ambdós costats, ja que els rodets poden girar en les dues direccions.

Altres configuracions menys utilitzades són la de «tres rodets», «quatre corrons» i «rodets tàndem». La configuració de «tres rodets» (B) consisteix en tres rodets en una columna vertical en la qual la direcció dels corrons no canvia i el material de treball pot passar en qualsevol direcció per aconseguir una sèrie de reduccions, pujant o baixant el material després de cada pas. Aquest molí és més complicat pel mecanisme que ha d'elevar o baixar el material de treball després de cada passada. En els molins «de quatre corrons» (C, D) o «en dispersió» (E, F) es fan servir dos corrons de menor diàmetre, que s'encarreguen de realitzar la pressió sobre el material de treball. Aquests rodets es recolzen en dos corrons de major diàmetre per evitar desviacions degudes a les grans forces que s'exerceixen sobre el material de treball. Per aconseguir altes velocitats de rendiment es fa servir el «molí de rodets tàndem» que consisteix en una sèrie de bastidors de rodets dels que poden arribar als 8 o 10 parells de corrons i en cadascun es realitza una reducció del material. El major problema és el de la sincronització de les velocitats pel fet que aquesta augmenta en cadascuna de les fases. Els molins tàndem s'usen amb freqüència en operacions amb bugada contínua. Presenten alguns avantatges quan s'utilitzen en la bugada contínua, com l'eliminació de les fosses de reescalfat i que necessiten menys espai.

• 
  Configuració d'un tren de laminació
• 
  Cilindres verticals de laminació
• 
  Caixes universals de laminació

Rodets

Els materials utilitzats per a la fabricació de rodets han de ser resistents mecànicament i resistents al desgast, normalment s'utilitzen foses de ferro, acer fos ie acer forjat, per rodets de petits diàmetres s'utilitzen carburs de tungstè. Els rodets d'acer forjat tenen més resistència, tenacitat i rigidesa que els rodets de ferro colat encara que aquestes avantatges es veuen reflectides en el cost, ja que són més cars.

Els rodets que s'utilitzen en la laminació en fred són rectificats fins a aconseguir un acabat fi., Per a aplicacions especials els rodets a més es poleixen. Aquests rodets no han de ser utilitzats en la laminació en calent, ja que poden arribar a esquerdar per reciclat tèrmic i esmicolar.

Rodets de laminació

Lubricants

La laminació en calent dels aliatges amb ferro generalment es realitza sense lubricants, tot i que es pot utilitzar el grafit. S'usen solucions en base aigua per trencar la pellofa sobre el material laminat i per refredar els rodillos.Las aliatges no ferrosos es laminen en calent i s'utilitzen olis compostos, àcids grassos i emulsions. La laminació en fred es realitza amb lubricants de baixa viscositat o amb lubricants solubles en aigua, com emulsions, olis minerals, parafina i olis grassos.

En el tractament tèrmic de les palanquillas i de les plaques el mitjà que es fa servir per a la seva escalfament també pot servir com a lubricant.

Altres operacions de laminat

Laminació d'anells

A la laminació d'anells consisteix en una deformació que lamina les parets gruixudes d'un anell per obtenir un anell de parets més primes, i per tant, d'un diàmetre major a l'inicial. El laminat d'anells s'aplica generalment en processos de treball en fred per anells petits i de treball calenta per anells més grans. S'utilitza, entre altres, per a la fabricació de collarets per rodament de boles i rodets, llantes d'acer per a rodes de ferrocarril, etc. Les parets dels anells no només es limiten a formes rectes, també aquest procés permet formes més complexes. Aquest procés té com a principal avantatge l'estalvi de matèries primeres.

Laminació de cordes

La laminació de cordes es fa servir per formar cordes en parts cilíndriques mitjançant la seva laminació entre donats. La majoria de les màquines laminadores de cordes realitzen les operacions de laminat de cordes en fred, la forma i grandària de la corda depèn del tipus de daus amb què estiguin equipades aquestes maquinas. Existen dos tipus de daus: Donats plànols que es mouen alternativament entre si i donats rodons que giren relativament entre si per aconseguir l'acció de laminat. Entre els avantatges d'aquest procés estan l'alta velocitat, millor utilització del material, cordes més forts a causa de l'enduriment del material, millor resistència a la fatiga i superfícies més llises.

Laminació d'engranatges

La laminació d'engranatges és un procés de format en fred que produeix certs engranatges. Aquest tipus de laminacióm és similar al de laminat de cordes, i la difernecia és que les característiques de deformació dels cilindres o discos s'orienten paral·lel al seu eix (en angle per als engranatges helicoïdals) i no espiral com en el laminat de cordes. En aquest procés trobem algunes avantatges com: alta velocitat, millor aprofitament del material, major resistència a la fatiga, etc.

Laminat de pols

La pols pot comprimir-se en una operació per formar tires de material metàl·lic. El procés en general s'efectua de manera contínua o semicontínua. Els pols es compacten entre els rodets per formar una tira verda que s'alimenta directament a un forn de sinteritzat després es refreda, es lamina i es resinteriza.

Laminat de rosques

Exemple de laminació de rosques.

Aquest procés de laminat es realitza en fred es poden formar rosques rectes o còniques en varetes rodones quan aquestes passen a través de daus per donar-los la forma. Les rosques es formen sobre el filferro o vareta en cada carrera d'un parell de daus plànols reciprocantes, en aquest procés es manté el volum constant, ja que no hi ha eliminació de material. Els productes típics són: perns, cargols i peces roscades.

El procés pot generar formes similars com ranures i formes d'engrani. Aquest mètode té l'avantatge de generar rosques sense cap pèrdua de material (rebuig) i amb bona resistència (a causa del treball en fred) a més provoca sobre la superfície de la peça esforços residuals a la compressió, millorant la vida sota condicions de fatiga, el acabat superficial que s'obté és molt llis. El laminat de rosques és molt superior a altres mètodes de fabricació de rosques, ja que el maquinat de les rosques curta a través de les línies de flux de gra del material, mentre que el laminat de les rosques millora la resistència de la rosca, ja que aquest deixa un patró de flux de gra.

La fabricació de rosques en els metalls dúctils es caracteritza per la suavitat del procés. No obstant això, després es solen sotmetre a un tractament tèrmic ia un maquinat o rectificat final. Per metalls en condició dura, les rosques es maquinen i/o es rectifiquen.

El procés Mannesman

El procés Mannesman consisteix en la fabricació de tubs sense soldadura per laminació. La peça s’escalfa a alta temperatura i passa entre dos rodets amb forma especial on és travessada per una perforadora que fa el forat del tub. Seguidament, per perfilar el tub i donar-li l’espessor final, es passa pel Pas del peregrí, que són dos rodets amb forma de ronyó que tenen avanç y retrocés.

Etapes del Procés Mannesman

Pas del peregrí

Defectes en plaques i fulles laminades

Aquests defectes poden presentar-se en la superfície de les plaques o fulls, o poden donar-se en la seva estructura interna. Els defectes degraden l'aparença de la superfície i poden afectar de manera adversa a la resistència, la capacitat de format i altres característiques de manufactura.

Els defecte superficials poden ser: ratlladures, corrosió, pellofa, picades, mossegades i esquerdes causats per inclusions i impureses en el material fos original o degut a altres processos de preparació del material o la mateixa operació de laminat.

Les vores ondulades en les fulles es formen a causa de la flexió del rodet. La tira és més prima a les vores que al centre, ja que aquests s'allarguen més i es torcen pel fet que estan limitats en la seva lliure expansió en la direcció longitudinal de laminat.

Les esquerdes són el resultat d'una deficiència de ductilitat del material sotmès a laminació a la temperatura en què es realitza el procés.

El laminat és degut a una deformació no uniforme durant el procés de laminació o per la presència de defectes en la palanquilla fos original.

Els defectes en les vores en les fulles laminades són eliminats mitjançant operacions de tall i hendedura.

Bibliografia

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Mcapdevila/Laminació

• Blazynski, T. Z.: Plasticity and modern metall-forming technology . Elsevier, 1989.
• Ginzburg, V. B.: High-quality steel rolling: theory and practice . Marcel Dekker, 1993.
• Hosford, W. F. i R. M. Caddell: Metall forming: mechanics and metallurgy . Prentice Hall (2a edició), 1993.
• Lange, K. (Ed.): Handbook of metall forming . McGraw-Hill, 1985.
• Departament de Ciència dels Materials i Enginyeria Metal·lúrgica ETSEIB-UPC Espanya. Tecnología de Materiales, 2011. 
• Callister, William D.. Introducción a la Ciencia e ingeniería de los Materiales. Editorial Reverté, 1995.