Vista general del proceso
La formación de piezas metálicas mediante la aplicación de altas fuerzas de compresión y tracción es común en toda la fabricación industrial. En las operaciones de estampado, el metal, generalmente en forma de láminas, tiras o bobinas, se moldea en formas específicas a temperatura ambiente mediante cizallamiento, prensado y estiramiento entre matrices, generalmente en una serie de uno o más pasos de impacto discretos. El acero laminado en frío es el material de partida en muchas operaciones de estampado que crean piezas de chapa en la industria automotriz y de electrodomésticos, entre otras. Aproximadamente el 15% de los trabajadores de la industria automotriz trabajan en operaciones o plantas de estampado.
En la forja, la fuerza de compresión se aplica a bloques preformados (piezas en blanco) de metal, generalmente calentados a altas temperaturas, también en uno o más pasos discretos de prensado. La forma de la pieza final está determinada por la forma de las cavidades en el troquel o troqueles de metal utilizados. Con matrices de impresión abiertas, como en la forja con martillo, la pieza en bruto se comprime entre una matriz unida al yunque inferior y el pistón vertical. Con troqueles de impresión cerrados, como en la forja en prensa, la pieza en bruto se comprime entre el troquel inferior y un troquel superior unido al ariete.
Las forjas de martillo de caída utilizan un cilindro de vapor o aire para levantar el martillo, que luego se deja caer por gravedad o es impulsado por vapor o aire. El operador controla manualmente el número y la fuerza de los golpes del martillo. El operador a menudo sostiene el extremo frío de la culata mientras opera el martillo de caída. La forja con martillo alguna vez representó alrededor de dos tercios de toda la forja realizada en los Estados Unidos, pero hoy en día es menos común.
Las forjas de prensa utilizan un ariete mecánico o hidráulico para dar forma a la pieza con un solo golpe lento y controlado (ver figura 1). La forja en prensa generalmente se controla automáticamente. Se puede realizar en caliente oa temperatura normal (forja en frío, extrusión). Una variación del forjado normal es el laminado, donde se utilizan aplicaciones continuas de fuerza y el operador gira la pieza.
Figura 1. Prensa de forja
Los lubricantes para troqueles se rocían o se aplican de otro modo a las caras de los troqueles y las superficies en blanco antes y entre golpes de martillo o prensa.
Las piezas de máquinas de alta resistencia, como ejes, coronas dentadas, pernos y componentes de suspensión de vehículos, son productos de forja de acero comunes. Los componentes de aeronaves de alta resistencia, como los largueros de las alas, los discos de las turbinas y el tren de aterrizaje, se forjan con aleaciones de aluminio, titanio o níquel y acero. Aproximadamente el 3% de los trabajadores automotrices están en operaciones o plantas de forja.
Las condiciones de trabajo
Muchos peligros comunes en la industria pesada están presentes en las operaciones de estampado y forjado. Estos incluyen lesiones por esfuerzos repetitivos (RSI, por sus siglas en inglés) por manipulación y procesamiento repetidos de piezas y operación de controles de máquinas, como los botones de la palma de la mano. Las piezas pesadas ponen a los trabajadores en riesgo de sufrir problemas de espalda y hombros, así como trastornos musculoesqueléticos de las extremidades superiores. Los operadores de prensas en plantas de estampado automotriz tienen índices de RSI que son comparables a los de los trabajadores de plantas de ensamblaje en trabajos de alto riesgo. La vibración y el ruido de alto impulso están presentes en la mayoría de las operaciones de estampado y algunas de forja (p. ej., martillo neumático o de vapor), lo que provoca pérdida de la audición y posibles enfermedades cardiovasculares; estos se encuentran entre los entornos industriales de mayor ruido (más de 100 dBA). Al igual que en otras formas de sistemas impulsados por automatización, las cargas de energía de los trabajadores pueden ser altas, según las piezas manipuladas y las tasas de ciclo de la máquina.
Las lesiones catastróficas que resultan de movimientos imprevistos de la máquina son comunes en el estampado y la forja. Estos pueden deberse a: (1) fallas mecánicas de los sistemas de control de la máquina, como los mecanismos de embrague en situaciones en las que se espera que los trabajadores estén dentro del entorno operativo de la máquina (un diseño de proceso inaceptable); (2) deficiencias en el diseño o el rendimiento de la máquina que invitan a intervenciones no programadas del trabajador, como mover piezas atascadas o desalineadas; o (3) procedimientos de mantenimiento inadecuados y de alto riesgo realizados sin el bloqueo adecuado de toda la red de máquinas involucrada, incluida la automatización de transferencia de piezas y las funciones de otras máquinas conectadas. La mayoría de las redes de máquinas automatizadas no están configuradas para un bloqueo rápido, eficiente y efectivo o para una resolución de problemas segura.
Las neblinas de los aceites lubricantes de las máquinas generadas durante el funcionamiento normal son otro peligro genérico para la salud en las operaciones de prensas de estampado y forjado accionadas por aire comprimido, lo que puede poner a los trabajadores en riesgo de enfermedades respiratorias, dermatológicas y digestivas.
Problemas de Salud y Seguridad
Stamping
Las operaciones de estampado tienen un alto riesgo de laceración severa debido al manejo requerido de piezas con bordes afilados. Posiblemente peor es el manejo de la chatarra resultante de los perímetros cortados y las secciones de piezas troqueladas. La chatarra generalmente se recolecta mediante tolvas y transportadores alimentados por gravedad. Eliminar atascos ocasionales es una actividad de alto riesgo.
Los peligros químicos específicos del estampado generalmente surgen de dos fuentes principales: compuestos de trefilado (es decir, lubricantes para troqueles) en operaciones de prensado reales y emisiones de soldadura del ensamblaje de las piezas estampadas. Se requieren compuestos de dibujo (DC) para la mayoría de los estampados. El material se rocía o se enrolla sobre una lámina de metal y el propio evento de estampado genera más neblina. Al igual que otros fluidos para trabajar metales, los compuestos de trefilado pueden ser aceites puros o emulsiones de aceite (aceites solubles). Los componentes incluyen fracciones de aceite de petróleo, agentes lubricantes especiales (p. ej., derivados de ácidos grasos animales y vegetales, aceites y ceras clorados), alcanolaminas, sulfonatos de petróleo, boratos, espesantes derivados de la celulosa, inhibidores de la corrosión y biocidas. Las concentraciones de niebla en el aire en las operaciones de estampado pueden alcanzar las de las operaciones típicas de maquinado, aunque estos niveles tienden a ser más bajos en promedio (0.05 a 2.0 mg/mXNUMX).3). Sin embargo, la niebla visible y la película de aceite acumulada en las superficies de los edificios suelen estar presentes, y el contacto con la piel puede ser mayor debido a la manipulación extensiva de las piezas. Las exposiciones con mayor probabilidad de presentar peligros son los aceites clorados (posible cáncer, enfermedad hepática, trastornos de la piel), colofonia o derivados de ácidos grasos de tall oil (sensibilizadores), fracciones de petróleo (cánceres digestivos) y, posiblemente, formaldehído (de biocidas) y nitrosaminas (de alcanolaminas y nitrito de sodio, ya sea como ingredientes de DC o en los revestimientos superficiales del acero entrante). Se ha observado cáncer digestivo elevado en dos plantas de estampado automotriz. Las floraciones microbiológicas en los sistemas que aplican CD al enrollarlos sobre láminas de metal desde un depósito abierto pueden presentar riesgos para los trabajadores por problemas respiratorios y dermatológicos análogos a los de las operaciones de mecanizado.
La soldadura de piezas estampadas se realiza a menudo en plantas de estampado, normalmente sin lavado intermedio. Esto produce emisiones que incluyen humos metálicos y productos de pirólisis y combustión del compuesto de trefilado y otros residuos de la superficie. Las operaciones típicas de soldadura (principalmente por resistencia) en las plantas de estampado generan concentraciones totales de partículas en el aire en el rango de 0.05 a 4.0 mg/m3. El contenido de metal (como humos y óxidos) suele constituir menos de la mitad de ese material particulado, lo que indica que hasta 2.0 mg/m3 es un desecho químico pobremente caracterizado. El resultado es una neblina visible en muchas áreas de soldadura de plantas de estampado. La presencia de derivados clorados y otros ingredientes orgánicos genera serias preocupaciones sobre la composición del humo de soldadura en estos entornos y aboga fuertemente por los controles de ventilación. La aplicación de otros materiales antes de la soldadura (como imprimación, pintura y adhesivos tipo epoxi), algunos de los cuales luego se sueldan, aumenta la preocupación. Las actividades de reparación de la producción de soldadura, que generalmente se realizan manualmente, a menudo presentan exposiciones más altas a estos mismos contaminantes del aire. Se han observado tasas excesivas de cáncer de pulmón entre soldadores en una planta de estampado automotriz.
Forjando
Al igual que el estampado, las operaciones de forjado pueden presentar un alto riesgo de laceración cuando los trabajadores manipulan piezas forjadas o recortan las rebabas o los bordes no deseados de las piezas. La forja de alto impacto también puede expulsar fragmentos, escamas o herramientas, causando lesiones. En algunas actividades de forja, el trabajador agarra la pieza de trabajo con tenazas durante los pasos de presión o impacto, lo que aumenta el riesgo de lesiones musculoesqueléticas. En la forja, a diferencia de la estampación, los hornos para calentar piezas (para forja y recocido), así como depósitos de piezas forjadas en caliente, suelen estar cerca. Estos crean potencial para condiciones de alto estrés por calor. Factores adicionales en el estrés por calor son la carga metabólica del trabajador durante el manejo manual de materiales y, en algunos casos, el calor de los productos de combustión de los lubricantes para troqueles a base de aceite.
La mayoría de las piezas de forja requieren lubricación y tiene la característica adicional de que el lubricante entra en contacto con piezas de alta temperatura. Esto provoca la pirólisis y la aerosolización inmediatas no solo en los troqueles, sino también posteriormente a partir de las piezas humeantes en los recipientes de refrigeración. Los ingredientes lubricantes para matrices de forja pueden incluir lechadas de grafito, espesantes poliméricos, emulsionantes de sulfonato, fracciones de petróleo, nitrato de sodio, nitrito de sodio, carbonato de sodio, silicato de sodio, aceites de silicona y biocidas. Estos se aplican como aerosoles o, en algunas aplicaciones, con un hisopo. Los hornos utilizados para calentar el metal que se va a forjar suelen ser de petróleo o gas, o son hornos de inducción. Las emisiones pueden resultar de hornos alimentados con combustible con tiro inadecuado y de hornos de inducción no ventilados cuando el metal entrante tiene contaminantes en la superficie, como aceite o inhibidores de corrosión, o si, antes de la forja, fue lubricado para corte o aserrado (como en el caso de la barra). En los EE. UU., las concentraciones totales de partículas en el aire en las operaciones de forja suelen oscilar entre 0.1 y 5.0 mg/m3 y varían ampliamente dentro de las operaciones de forjado debido a las corrientes de convección térmica. Se observó una tasa elevada de cáncer de pulmón entre los trabajadores de forja y tratamiento térmico de dos plantas de fabricación de cojinetes de bolas.
Prácticas de salud y seguridad
Pocos estudios han evaluado los efectos reales en la salud de los trabajadores expuestos al estampado o la forja. No se ha realizado una caracterización exhaustiva del potencial de toxicidad de la mayoría de las operaciones de rutina, incluida la identificación y medición de los agentes tóxicos prioritarios. La evaluación de los efectos a largo plazo en la salud de la tecnología de lubricación de troqueles desarrollada en las décadas de 1960 y 1970 solo se ha vuelto factible recientemente. Como resultado, la regulación de estas exposiciones se basa en estándares genéricos de polvo o partículas totales, como 5.0 mg/m3 en los EE.UU. Si bien es probable que sea adecuado en algunas circunstancias, no se puede demostrar que este estándar sea adecuado para muchas aplicaciones de estampado y forjado.
Cierta reducción en las concentraciones de neblina de lubricante de troquel es posible con un manejo cuidadoso del procedimiento de aplicación tanto en estampado como en forja. Se prefiere la aplicación con rodillo en el estampado cuando sea factible, y es beneficioso usar una presión de aire mínima en los rociadores. Se debe investigar la posible eliminación de ingredientes peligrosos prioritarios. Los recintos con colectores de neblina y presión negativa pueden ser muy eficaces, pero pueden ser incompatibles con la manipulación de piezas. Filtrar el aire liberado de los sistemas de aire de alta presión en las prensas reduciría la neblina de aceite de la prensa (y el ruido). El contacto con la piel en las operaciones de estampado se puede reducir con la automatización y un buen equipo de protección personal, que brinde protección contra laceraciones y la saturación de líquidos. Para la soldadura de plantas de estampado, es muy recomendable lavar las piezas antes de soldar, y los recintos parciales con LEV reducirían sustancialmente los niveles de humo.
Los controles para reducir el estrés por calor en el estampado y la forja en caliente incluyen minimizar la cantidad de manejo manual de materiales en áreas de alta temperatura, proteger los hornos para reducir la radiación de calor, minimizar la altura de las puertas y ranuras del horno y usar ventiladores de enfriamiento. La ubicación de los ventiladores de enfriamiento debe ser una parte integral del diseño del movimiento del aire para controlar la exposición a la niebla y el estrés por calor; de lo contrario, el enfriamiento puede obtenerse solo a expensas de exposiciones más altas.
La mecanización del manejo de materiales, el cambio de la forja con martillo a la prensa cuando sea posible y el ajuste del ritmo de trabajo a niveles ergonómicamente prácticos pueden reducir la cantidad de lesiones musculoesqueléticas.
Los niveles de ruido se pueden reducir mediante una combinación de cambio de forja de martillo a prensa cuando sea posible, recintos bien diseñados y silenciamiento de los sopladores del horno, embragues de aire, conductos de aire y manipulación de piezas. Se debe instituir un programa de conservación de la audición.
El EPP necesario incluye protección para la cabeza, protección para los pies, gafas protectoras, protectores auditivos (alrededor del ruido excesivo), delantales y polainas resistentes al calor y al aceite (con un uso intensivo de lubricantes para troqueles a base de aceite) y protección infrarroja para los ojos y la cara (alrededor de hornos).
Peligros ambientales para la salud
Los peligros ambientales que surgen de las plantas de estampado, relativamente menores en comparación con los de otros tipos de plantas, incluyen la eliminación de compuestos de trefilado de desecho y soluciones de lavado y el escape del humo de soldadura sin una limpieza adecuada. Históricamente, algunas plantas de forja han causado una degradación aguda de la calidad del aire local con humo de forja y polvo de escamas. Sin embargo, con una capacidad de limpieza de aire adecuada, esto no tiene por qué ocurrir. La disposición de la chatarra de estampado y la cascarilla de forja que contiene lubricantes para troqueles es otro problema potencial.