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1.2.3.- Sobre-espesores y contracciones.

El diseño y la construcción de una estampa se han de realizar partiendo del plano de la pieza terminada. Es muy importante realizar estas operaciones con mucho cuidado. Todo el proceso de forja dependerá de ello.

Sobre-espesores de mecanizado

Para proceder al diseño y construcción de una estampa se parte del plano de la pieza terminada. Éste es el croquis de una pieza, que tras una primera operación de forjado con estampa, se mecanizará por arranque de viruta para obtener el acabado y precisión requeridos.

Croquis del Sobreespesor dejado para evacuación del material sobrante

La línea continua representa la pieza forjada, y la discontinua la pieza una vez mecanizada. La masa de material entre las líneas continua y discontinua representa la masa de material que hay que eliminar en el mecanizado.

Hay que entender que esta pieza final, después de un estampado previo, ha sido sometida a una operación en la que se ha desprendido material. Por eso el plano y, por consiguiente, el diseño de la estampa, se realizan indicando los excedentes de material sobre cada una de las superficies de la pieza y que posteriormente van a ser eliminados por arranque de viruta. El sobre-espesor de mecanizado es el excedente de material que se prevé en cada una de las superficies de la pieza estampada.

Imagen de table de sobrespesores.

A la derecha se te muestra una tabla en la que se te indican los sobre-espesores más utilizados en función del peso de la pieza: 

Contracciones del material

En un proceso de estampado en caliente se diferencian básicamente y en este orden, las fases de calentamiento, deformación, y enfriamiento.

En la primera, el material sufre una dilatación al ser calentado hasta la temperatura de forja, cuya magnitud varía según el material, y también según la temperatura a la que se caliente. Tras la deformación, en la que la masa de material caliente adquiere la forma de la cavidad, la pieza estampada se contrae a la vez que se enfría.

De ésto se deduce que las cotas de la pieza no coinciden con las de la cavidad de la estampa, siendo mayores estas últimas. Por eso es que las dimensiones de los troqueles o estampas se calculan y diseñan con el sobredimensionamiento necesario, para que la pieza final, una vez enfriada quede a las dimensiones deseadas. Debe ser la experiencia la que indique en cada caso el sobredimensionamiento necesario en la matriz. Además del material y de la temperatura de calentamiento, la propia geometría de la pieza hace que la contracción sea diferente en una u otra cota.

En general puede emplearse el coeficiente de dilatación lineal. Se define como el cociente entre la diferencia de longitud (por unidad de longitud) y la diferencia de temperatura que experimenta un cuerpo por esta causa.

Donde α es el coeficiente de dilatación, To es la Temperatura inicial, T la temperatura final, Lo es la longitud inicial, L es la longitud final tras la dilatación.

El cálculo del coeficiente de dilatación adquiere una importancia en materiales de grandes longitudes, por ejemplo en los rieles del ferrocarril, que van soldados entre sí, por lo que pueden llegar a tener una elevada longitud. Si la temperatura aumenta mucho la vía férrea se desplazaría por efecto de la dilatación, deformando completamente el trazado.

A continuación en la tabla siguiente se ven los coeficientes de dilatación para algunos materiales más comunes.

MaterialCoeficiente de dilatación, α (ºC -1)
Acero 11 x 10-6
Aluminio 23,8 x 10-6
Cobre 16,5 x 10-6
Latón 18,5 x 10-6

Así, para un acero forjado a 1200 ºC, las estampas deberán diseñarse con las cotas de forja aumentadas en un 1,32%. Son cotas de forja, y no cotas de la pieza final, puesto que el fenómeno de la contracción es independiente del mecanizado posterior de la pieza. Una vez fría y contraída, deberán eliminarse también los sobreespesores.

Otro factor a tener en consideración es el calentamiento de las estampas, cuya dilatación también debe ser tenida en consideración.