CUESTIONARIO CAPITULO 14 14.1 ¿Cuál es la diferencia entre forjado en frío, en caliente y a temperatura media?
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Forjado en frio.- requiere fuerzas grandes debido a la mayor resistencia del material de la pieza del trabajo debe poseer suficiente ductilidad a temperatura ambiente para someterse a la deformación necesaria que se agrieta. Tiene buen acabado superficial y precisión dimensional Forjado caliente.- requiere de fuerzas menores y su acabado final respecto a la precisión dimensional y acabado superficial no son muy elevadas.
14.2 Explique la diferencia entre forjado de matriz abierta y por impresión de matriz El forjado de matriz abierta es la operación más simple de forjado. A pesar de que en general la mayoría de las partes forjadas de matriz abierta pesan de 15 a 500 kg, se han forjado piezas con un peso hasta de 300 toneladas. Las partes forjadas pueden ser muy pequeñas, como los clavos, pernos y tornillos, o muy grandes como los ejes hasta de 23 mm de longitud para propulsores de barcos. El forjado de matriz abierta se puede representar mediante una pieza de trabajo solida colocada entre dos matrices planas y cuya altura se reduce por compresión proceso que también se conoce como recalcado o forjado con matriz plana. Asimismo, las superficies de la matriz pueden tener cavidades poco profundas o incorporar rasgos para producir forjas relativamente simples. En el forjado por matriz de impresión, la pieza de trabajo toma la forma de la cavidad de la matriz mientras se va forjando entre dos matrices con forma, por lo general, este proceso se realiza a temperaturas elevadas para mejorar la ductilidad de los metales y disminuir las fuerzas. En este proceso de forjado parte del material fluye hacia el exterior y forma unos bigotes o rebaba de forja que desempeña un papel importante en el forjado por matriz de impresión. La temperatura elevada y la alta resistencia a la fricción resultante en la rebaba representan una severa restricción al flujo exterior del material en la matriz. Con base en el principio de que la deformación plástica de los materiales fluyen hacia donde hay menor resistencia, el material empieza a fluir al interior de la cavidad de la matriz, llenándola finalmente.
14.3 Explique la diferencia entre forjado con dado cóncavo, convexo y bloqueo. Las diferencias se pueden especificar en este cuadro comparativo: Forjado con dado cóncavo Sencillez de sus dados que hacen el proceso bastante económico. Útil para un número pequeño de piezas a realizar. Limitación en la forma del dado a la hora de crear piezas complejas. Poca capacidad de producción.
Mala utilización del material a procesar.
En el forjado con dado cóncavo, el material de la pieza se aleja de una región
Forjado con dado convexo Gran coste de los dados para bajo número de piezas a producir.
Buena precisión dimensional.
Gran capacidad de producción y reproductibilidad.
Buena utilización del material a procesar.
En el forjado con dado convexo se junta en una región localizada
En lo que respecta al bloqueo la pieza se le da la forma aproximada de la forma final con un proceso llamado bloqueo utilizando dados bloqueadores 14.4 ¿Qué factores están involucrados en el forjado de precisión? Los factores involucrados en el forjado de precisión son: *El requerimiento de matrices especiales y más complejas. *El control preciso del volumen y la forma de la pieza en bruto. *Tomar en cuenta el posicionamiento exacto de la pieza en la cavidad de la matriz. *Se requiere equipos de más capacidad debido a la necesidad de mayores fuerzas.
14.5 ¿Qué tipo de partes puede producir el forjado rotatorio? Es una operación de forja que reduce el diámetro de una barra o tubo sólido con el movimiento radial alternativo de un conjunto de dos o cuatro matrices. El proceso es apropiado para producir tramos cortos o largos de barra o tubería con diversos perfiles internos o externos. La pieza de trabajo se mantiene estacionaria y las matrices giran (mientras se mueven radialmente en sus ranuras), golpeando la pieza a velocidades tan altas como 20 golpes por segundo. Aplicaciones Hojas de los desarmadores y las puntas de hierro para soldadoras También se puede utilizar para ensamblar accesorios en cables y alambres; en dichos casos, el accesorio tubular se estampa directamente en el cable.
14.6 Explique las características de una matriz típica de forjado. Una matriz típica de forjado es el forjado de matriz abierta Es la operación más simple de forjado La mayoría de las partes forjadas de matriz abierta pesan de 15 a 500 kg (30 a 1000 libras), Las partes forjadas pueden ser muy pequeñas, como los clavos, pernos y tornillos, o muy grandes (como los ejes hasta de 23 m de longitud para propulsores de barcos). Son matrices simples y poco costosas Buena característica de resistencia por lo general para cantidades pequeñas 14.7 Explique a qué se refieren los términos “de carga limitada”, “de energía limitada” y “de recorrido o carrera limitada” en relación con las máquinas para forjado. - de carga limitada o restringida. Describe que la maquina se detiene si la carga requerida excede su capacidad. Un ejemplo de estas son las prensas hidráulicas, estas son de carga limitada y funcionan a velocidad constante, pueden transmitir grandes cantidades de energía a una pieza de trabajo por medio de una carga constante. - De energía limitada. Refiere a que la energía que la maquina requiere tiende a agotarse dependiendo del tipo de fuente. Un ejemplo estas máquinas son las Prensas de tornillo, estas obtienen su energía de un volantín, por lo que son de energía limitada. La carga de forjado se transmite a través de un tornillo vertical grande y el ariete se para cuándo se disipa la energía del volantín. - De recorrido o carrera limitada. Un ejemplo de estas son las Prensas mecánicas, estas prensas son básicamente de tipo manivela o excéntrica la velocidad varía desde un máximo en el centro del recorrido, hasta cero en su parte inferior, por lo que son de recorrido o carrera limitada. La energía en una prensa mecánica se genera con un gran volantín accionado por un motor eléctrico. Un embrague acopla el volantín en un eje excéntrico. Una biela traduce el movimiento giratorio en movimiento lineal alternativo 14.8 ¿Qué es un bigote o rebaba de forja? Es el exceso de metal que se recorta posteriormente. La rebaba desempeña un papel importante en el forjado por matriz de impresión. La temperatura elevada y la alta resistencia a la fricción resultante en la rebaba representan una severa restricción al flujo exterior del material en la matriz.
14.9 ¿Por qué el punzonado de cavidades, o clavado, es una alternativa atractiva para producir matrices simples? -
Porque son poco profundas. Porque es un proceso que prensa un punzón endurecido dentro de la superficie del material y esta cavidad producida se utiliza luego como matriz para operaciones de forjado.
14.10.- ¿Cuál es la diferencia entre penetrado y troquelado? Penetrado.- es un proceso de penetración de la superficie de una pieza de trabajo aunque sin pasar a través de ella, el trozo recortado es el desperdicio, mientras que el resto de la banda constituye en la pieza a producir. Realiza perforaciones o bien un agujero redondo, ejemplo la perforación de los tornillos en forma de allen. Troquelado.- sirve para trabajar en láminas en frio, el troquelado define el tamaño y la forma de la pieza, es el trozo de material que recorta el punzón, que aquí suele llamarse troquel, es la pieza a producir, por lo que las rebabas mayores y demás detalles indeseables deben dejarse en la banda. Realiza desbarbado que consiste en eliminar el metal en exceso para así llevarlo a la tolerancias adecuadas, también realiza las operaciones de cortado, doblado y curvado.
14.11 ¿Cómo puede decir si una parte está forjada o fundida? Explique las características que investigaría. Las características que investigaría son las siguientes:
En que se utiliza generalmente el fundido y el forjado porque existe Una tendencia a usarse forjados exclusivamente en determinadas condiciones Aplicaciones y los fundidos en otra. la soldabilidad dado que para componentes de grandes secciones la combinación fundido /soldado es más adoptada que la combinación forjado/fundido la principal razón es que pocas piezas están involucradas y el fundido tiende a tener mejor soldabilidad. Ver las características externas y complejidad de la pieza debido a que en la realización de una pieza a medida que aumenta la complejidad de la forma las
practicidad del forjado disminuye pero en el fundido no hay limitación de complejidad de la forma. Defectos de forjados y fundidos debido a que tanto forjado como fundido tienen tipos particulares de defectos Costo Final El costo final de una pieza incluye su costo de compra más el costo de realización de todas las operaciones adicionales necesarias. Antes de las operaciones de montaje, por ejemplo, es casi siempre necesario mecanizar la pieza. Este costo puede ser considerable. Cuando se trata de piezas simples tanto el fundido como el forjado, requieren la misma cantidad de mecanizado, pero cuando las piezas son más complejas los fundidos tienden a requerir menos mecanizado que los forjados. Acabado superficial El proceso de forja tiende a reducir la porosidad y las discontinuidades superficiales, pudiendo también eliminar las cavidades internas. La porosidad superficial y las discontinuidades que vienen a que aparezcan los fundidos, cuando sea aplicable, podrán ser reparados por soldadura. El costo de esta operación es usualmente menor que el costo adicional de mecanizado típicamente requerido para un forjado. Tamaño y peso :Los aceros fundidos son casi siempre más ligeros que sus correspondientes forjados, el cambio de diseño de forjado a el fundido usualmente resulta en una sustancial reducción del peso final, en algunos casos puede ser superior al 30%
14.12 ¿Por qué es importante la forma intermedia de una parte en las operaciones de forjado? -
Es importante la forma intermedia para que se llene adecuadamente las cavidades de la matriz
-
Para adecuar el diseño de las matrices cuando fluya donde hay menor resistencia
14.13 Explique las funciones de las rebabas en un forjado por impresión de matriz. La rebaba desempeña un papel importante en el forjado por matriz de impresión porque en este proceso debe realizarse con un cordón de rebaba que sirve para aportar la presión necesaria al llenar las zonas finales de la pieza, especialmente si los radios de acuerdo de las pieza son de pequeño tamaño y puede estar sin rebaba, dependiendo de si las matrices llevan incorporada una zona de desahogo para alojar el material sobrante (rebaba) o no.
14.14 ¿Por qué el control del volumen de la pieza en bruto es importante en el forjado en matriz cerrada? Por lo siguiente, la presión de forjado es muy alta lo cual es fundamental el control preciso del volumen de la pieza en bruto y el diseño adecuado de la matriz para producir un forjado con las tolerancias dimensionales deseadas. Las piezas en bruto subdimensionadas evitan el llenado de la cavidad de la matriz lo cual no nos va a generar rebaba; por el contrario, las piezas sobredimensionadas generan presiones excesivas y pueden hacer que las matrices fallen de manera prematura o que la máquina se atasque. 14.15.- ¿Por qué hay tantos tipos de máquinas para forjado? Describe las capacidades y limitaciones de cada una de ellas.
Prensas hidráulicas.- funciona a velocidades constantes y son de carga limitada o restringida (la prensa se detiene cuando la carga requerida exceda su capacidad). Prensas mecánicas.- son del tipo de manivela o excéntrica, la velocidad varia desde un máximo en el centro del recorrido hasta un mínimo en la parte inferior, por lo que son de recorrido o carrera limitada. Prensas de tornillos.- estas prensas obtiene energía de un volantín por lo que son de energía limitada, la carga de energía se trasmite a través de un tornillo vertical grande y un ariete, se utiliza en varias operaciones de matriz abierta y matriz cerrada. Martillos.- son de energía limitada a diferencia de las prensas hidráulicas, los martillos operan a altas velocidades y el tiempo reducido de formado minimiza el enfriamiento de una forja caliente. Martinetes.- tiene las capacidades de energía que van desde 1150 KJ. Contra Martillos.- este martillo tiene dos arietes que se acercan uno al otro horizontal y verticalmente, operan a altas velocidades y trasmiten menos vibraciones a sus bases, las capacidades van hasta 1200 KJ. Máquinas de forjado de alto índice de energía (HERF).-el ariete se acelera rápidamente por medio de un gas inerte a alta presión y la parte se forja a una gran velocidad, su limitación en gran medida de uso en las industrias por consideraciones de seguridad, ruptura de las matrices y mantenimiento.
14.16 ¿Cuáles son las ventajas y limitaciones de (a) una operación de desbaste, y (b) forjado isotérmico? VENTAJAS DE UNA OPERACIÓN DE DESBASTE Permite separar y evacuar fácilmente las materias voluminosas arrastradas por el agua bruta, que podrían disminuir la eficacia de los tratamientos o complicar la realización de los mismos. Elimina componentes sólidos del agua por medio de rejas que están formadas por barrotes paralelos. Se usan para remover grandes cantidades de material de la pieza, a fin de producir una forma muy cercana a la requerida LIMITACIONES Es recomendable evitar la colocación de rejas de limpieza manual por razones de mantenimiento y explotación. En estas los residuos recogidos deben ser eliminados de manera discontinua. El desbaste manual requiere de un operador ya que facilita las otra etapas VENTAJAS DEL FORJADO ISOTÉRMICO
Reducción del costo de material debido a una utilización significativamente inferior de material por pieza. Reducción del mecanizado posterior debido a la gran precisión en la obtención de las formas geométricas deseadas así como de las tolerancias permitidas de cada pieza. Uniformidad del producto resultante ya que con este proceso se obtienen unas piezas con propiedades mecánicas uniformes debido a las pocas o inexistentes gradientes térmicas resultantes durante el proceso de forjado a lo largo de la pieza, propias de los otros procesos de forjado. Con este método de forjado se pueden forjar ciertos materiales que no podrían forjarse con otros métodos. Un ejemplo de dichos materiales sería la aleación Alloy 100 que produce múltiples roturas en la pieza usando métodos convencionales de forja.
DESVENTAJAS DEL FORJADO ISOTÉRMICO
Es muy costoso La velocidad de producción es baja
14.17.- Describa sus observaciones en relación con la figura 14.16.
Si no existe suficiente volumen de material para llenar la cavidad de la matriz, el alma se puede torcer durante el forjado y desarrollar pliegues (a). Por otro lado, si la el alma es demasiado gruesas, el exceso de material fluye nuevamente sobre las partes ya formadas de la forja y desarrolla grietas internas (b) Los diversos radios en las cavidades de la matriz de forjado pueden influir de manera significativa en la formación de dichos efectos.
14.18 ¿Cuáles son las ventajas y limitaciones de utilizar insertos de matrices? Las ventajas de utilizar insertos en matrices son: -
En vez de hacerse de una sola pieza, las matrices se pueden fabricar de varias piezas (segmentadas), incluyendo insertos de matrices. En particular se puede utilizar los insertos para elaborar formas complejas.
Las limitaciones que conllevan el uso de insertos para matrices son: -
Debe ser posible reemplazar estos insertos con facilidad en caso de desgaste o falla en una sección particular de la matriz. Por lo general se hacen de materiales más resistentes y duros. los insertos en las matrices deben permitir la extracción de las forjas sin dificultad.
14.19 Revise la figura 14.5d y explique por qué los ángulos de salida interiores son más grandes que los exteriores. ¿Esto también es cierto para la fundición de molde permanente?
Los ángulos de salida son necesarios en casi todas las matrices de forjado para facilitar la extracción de la parte de la matriz. Al enfriarse, la forja se contrae radial y longitudinalmente, de modo que se forman ángulos de salida internos mayores a los externos, Por lo general, se da un pequeño ángulo de salida (conicidad) en los modelos para moldes de arena, que permita extraer el modelo sin dañar el molde. Dependiendo de la calidad del modelo, es común que los ángulos de salida sean de 0.5° a 2°. 14.20 Haga comentarios en relación con el patrón de flujo de los granos en la figura 14.12. Los granos en caliente son forzados a tomar la forma del material de forja, causando que el flujo de grano quede paralelo a las cargas máximas anticipadas. Con el diseño adecuado el flujo de grano puede ser orientado en dirección de las tensiones principales encontradas en el uso real. El patrón del flujo de grano en forja aparece con los materiales fraguados lo cual es muy importante en las propiedades físicas y comportamientos de los metales. 14.21 Haga comentarios en relación con el control del espesor final de un tubo en la figura 14.15 En la figura 14.15 se observa la diferencia del control de espesor de un tubo utilizando un mandril vemos que el espesor del tubo sin un mandril es mayor que utilizando ; el mandril nos ayuda a que el espesor sea uniforme como también nos ayuda a darle
distintas formas al tubo en su interior como se muestra en la imagen con distintas formas transversales debido al forjado rotatorio.
14.22 Si inspecciona algunos productos forjados (como una llave para tubos) puede ver que las letras sobre ellos se resaltan en vez de estar rebajadas. Explique por qué están producidas de esa manera. Esto se debe a que el acuñado para producirlas logra dimensiones más exactas, así mismo la impresión de detalles es muy fina en el componente final, los cuales tienen una capacidad de producción muy elevada pero que las presiones requeridas pueden ser tan elevadas como cinco o seis veces la resistencia del material
14.23 Describa las dificultades comprendidas al definir con precisión el término “forjabilidad” Por lo general la forjabilidad se define como la capacidad de un material para someterse a deformación sin agrietarse. Pero esta definición es poco detallada ya que no se toma en cuenta cada aspecto que esta implica. Las dificultades más grandes al tratar de definir con precisión el termino forjabilidad son las distintas formas en las definir para cada material en particular todas las propiedades que implican el termino forjabilidad como por ejemplo la ductilidad y la tenacidad, también el definir los rangos de temperatura a los cuales los diferentes materiales son forjados.
14.24 Identifique las normas de diseño de la fundición (descritas en la sección 12.2) que también se pueden aplicar al forjado. - Tolerancias dimensionales. - Esquinas, ángulos y espesores de sección. - Operaciones de acabado.
14.25 Calcule la fuerza de forjado de una pieza de trabajo sólida, cilíndrica, producida con acero 1020, que tiene 3.5 pulgadas de altura y 5 pulgadas de diámetro, y cuya altura se va a reducir 30%. Considere un coeficiente de fricción de 0.2. DATOS ACERO 1020 2.54 𝑐𝑚 1𝑚 H= 3.5𝑝𝑢𝑙𝑔 ∗ 1 𝑝𝑢𝑙𝑔 ∗ 100 𝑐𝑚 = 0.0889 m D= 5 𝑝𝑢𝑙𝑔 ∗
2.54 𝑐𝑚 1 𝑝𝑢𝑙𝑔
1𝑚
∗ 100 𝑐𝑚 = 0.127 m
𝜇 = 0.2 RESOLUCIÓN 𝑉0 = 𝑉𝐹 𝜋 ∗ 𝑟𝑜 2 ∗ ℎ𝑜 = 𝜋 ∗ 𝑟𝑓 2 ∗ ℎ𝑓 𝜋 ∗ 0.06352 ∗ 0.0889 = 𝜋 ∗ 𝑟 2 ∗ 0.02667 𝑟𝑓 = 0.1159 𝑚 La cantidad Yƒ en la ecuación 14.1 es el esfuerzo de flujo del material El valor absoluto de la deformación real a la que se somete dicha pieza al final del recorrido en esta operación es ℎ𝑜 𝜖 = 𝐿𝑛 ( ) ℎ𝑓 0.0889𝑚 𝜖 = 𝐿𝑛 ( ) 0.02667 𝑚 𝜖 = 1.204 Hallamos K y n K= 780 MPa n= 0.13 ∇= 𝐾𝜖 𝑛 ∇= 780 ∗ 1.2040.13
∇=799 MPa Entonces recién podemos calcular la fuerza de forjado de una pieza de trabajo sólida: 𝐹 = 𝑌𝑓 ∗ 𝜋 ∗ 𝑟𝑓 2 (1 + 𝐹 = 799 MPa* 𝜋 ∗ 0.11592 ∗ (1 +
2𝜇𝑟𝑓 ) 3ℎ
2∗0.2∗0.1159 3∗0.02667
)
𝐹 = 42.91x106 N
14.26 Mediante la ecuación 14.2, estime la fuerza de forjado de la pieza de trabajo del problema 14.25, suponiendo que es un forjado complejo y que el área proyectada de la rebaba es 40% mayor que el área proyectada de la pieza de trabajo forjada. RESOLUCIÓN Donde: k= 7 de tablas 14.2 𝑌𝑓 = 799 𝑀𝑃𝑎 𝐹 = 𝑘 ∗ 𝑌𝑓 ∗ 𝐴 𝐹 = 7 ∗ 799 ∗ 29.164 𝐹 = 1.63114𝑥1011 𝑁 14.27 Tome dos especímenes sólidos cilíndricos del mismo diámetro pero de diferentes alturas, y comprímalos (Sin fricción) al mismo porcentaje de reducción de la altura. Muestre que los diámetros finales son los mismos.
F= 20 N
H= 0.50 cm
H= 100 cm
F= 20 N
D= 0.15 cm
D= 0.15 cm
H= 0.25 cm
H= 0.50 cm D= 0.30 cm
D= 0.30 cm
14.28 En el ejemplo 14.1, calcule la fuerza de forjado, suponiendo que el material es aluminio 1100-O y que el coeficiente de fricción es 0.2. Datos D = 150 mm h = 100 mm Se reduce 50% a temperatura ambiente por medio de forjado de matriz abierta con matrices planas: h = 100*0.5 = 50 mm A partir del volumen constante:
final
inicial
(𝜋 ∗ 𝑟22 ∗ ℎ2 ) = (𝜋 ∗ 𝑟12 ∗ ℎ1 ) (𝜋 ∗ 𝑟22 ∗ 50) = (𝜋 ∗ 752 ∗ 100) 𝜋∗ 752 ∗100
𝑟2 = √
50∗𝜋
= 106.066 mm
Aluminio 1100–O K = 180 (MPa) n = 0.20 𝑌̅𝑓 = 𝑌̅𝑓 =
𝐾 𝜖𝑛 1+𝑛
180 ∗ 𝜖 0.20 = 183.21 1.20
𝐹 = 𝑌̅𝑓 ∗ 𝜋 ∗ 𝑟 2 ∗ (1 +
2𝜇𝑟 ) 3ℎ
𝐹 = 183.21 ∗ 106 ∗ 𝜋 ∗ 0.1062 ∗ (1 +
2 ∗ 0.2 ∗ 0.106 ) = 8.3 ∗ 106 𝑁 3 ∗ 0.050
14.29 Mediante la ecuación 14.1, realice un diagrama de la fuerza de forjado (F) en función del radio (r) de la pieza de trabajo. Suponga que el esfuerzo de flujo (Yƒ) del material es constante. Recuerde que el volumen del material permanece constante durante el forjado, así que cuando h disminuye, r aumenta.
ALTURA VOLUMEN 5 392,7 3,47 392,448672 2,55 392,54292 1,954 392,87593 1,543 392,646593 1,25 392,7 1,033 392,678009 0,868 392,674867 0,74 392,888496 0,637 392,235043 0,5555 392,66073 0,488 392,473805 0,4325 392,676438 0,386 392,901062 0,346 392,40469 0,3125 392,7 0,2835 392,773828 0,2581 392,449929 0,236 392,20991
RADIO
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
FUERZA DE FORJADO 40,0055533 43,4371196 48,2189195 54,5683551 62,7512672 72,951303 85,4170161 100,366331 117,981401 138,739362 162,38819 189,611663 220,295796 254,774775 293,750399 336,517301 383,93129 436,476022 493,986817
14.30 ¿Cómo haría para calcular la fuerza requerida en una operación de punzonado de cavidades, suponiendo que el material es acero dulce y el área proyectada de la impresión es 0.5 pulg2? Explique con claridad. (Sugerencia: vea la sección 2.6 sobre dureza) TENEMOS LOS DATOS AREA proyectada=0.5 𝑝𝑢𝑙𝑔2 = 3225,8 𝑚𝑚2
Primeramente tomamos en cuenta la dureza para hallar el UTS del acero dulce. Dureza brinell HB=135-160 Utilizamos un HB intermedio de 148
Utilizamos la formula UTS =3.5 (HB) UTS=3.5 X 148 UTS=518 Mpa UTILIZAMOS LA FORMULA DE FUERZA DE CLAVADO FUERZA DE CLAVADO=3(UTS) XArea 𝑁
FUERZA DE CLAVADO=3 x518 𝑚𝑚2
x 3225.8 𝑚𝑚2
FUERZA DE CLAVADO=5 012 893.2 N
14.31 Una prensa mecánica se activa por medio de un motor de 30 hp y opera a 40 golpes por minuto. Utilice un volantín, de modo que la velocidad del cigüeñal no varíe de manera considerable durante la carrera. Si ésta es de 6 pulgadas, ¿cuál es la máxima fuerza constante que se puede ejercer sobre toda la longitud de la carrera o recorrido? 𝑭∗𝑳∗𝑽 𝑷∗𝑹 =𝑭= 𝑹 𝑳∗𝑽
𝑷=
𝑭=
𝟐𝟐𝟑𝟖𝟎 ∗ 𝟏 = 𝟐𝟏𝟗, 𝟏𝟖𝑲𝑵 𝟎, 𝟏𝟓𝟐𝟒 ∗ 𝟎, 𝟔𝟕
14.32.-Para la misma prensa mecánica del problema 14.31 ¿a qué espesor se puede forjar un cilindro de aluminio 5052-O que tiene 3 pulgadas de diámetro y 2 pulgadas de altura que se forjará antes de que la prensa se detenga? DATOS
R=36.3 mm
D= 3 pulg = R=36.3 mm H=2 pulg H = 54.2mm
K=138 (Mp) n=0.20 𝑌̅𝑓 = 𝑌̅𝑓 =
𝐾 𝜖𝑛 1+𝑛
138 ∗ 𝜖 0.20 = 140.46 1.20
𝐹 = 𝑌̅𝑓 ∗ 𝜋 ∗ 𝑟 2 ∗ (1 + h= h=
2𝜇𝑟 ) 3ℎ
2𝜇𝑟 𝐹 −1) 𝑌𝑓 ∗𝜋∗𝑟2
3∗( ̅
2∗36.6∗0.20 219.18 −1) 140.46∗𝜋∗36.32
3∗(
h = 45.18 mm
14.33 Suponga que es un instructor que cubre los temas descritos en este capítulo y está haciendo un examen sobre los diversos aspectos para evaluar los conocimientos de los estudiantes. Elabore dos problemas cuantitativos y proporcione las respuestas. Formulas: h0
Ln
Y K n
h 1.
1
0,4 D
F Yf A f K f
Una parte cilíndrica de D= 2,5 pulg, y h=2,5 pulg, es recalcada en un dado abierto a una altura de 1,5 pulg. El coeficiente de fricción en la interface dadotrabajo=0,10. El material de trabajo tiene una curva de fluencia definida por K= 40000lb/pulg2. Y n=0,15. Determine la fuerza instantánea en la operación: a) en el momento en que se alcanza el punto de fluencia (fluencia a la deformación=0,002), b) si h=2,3 pulg, a) Cuando alcanza la fluencia por deformación ε= 0,002 Yt= K
F
n =40 000lb/pulg2 x (0,002)0,15=15 747,6lb/pulg2.
Yf Af K f =15 747, 6 lb/pulg2 x 1,04 x 4,90pulg2= 80 249,76 lb
b) Cuando h= 2,3 pulg.
Para el cálculo de Kf debemos hallar cuanto es el diámetro de la pieza cuando su altura disminuye a 2,3 pulg. Sabemos que el volumen es invariable y que: V0
Vf
Af
h f =4,9 pulg2
2,5 pulg
12,27 pulg3
Despejando Af para de allí obtener el diámetro
2. Se ejecuta una operación de encabezamiento den frío para producir la cabeza de un clavo de acero. El coeficiente de resistencia del acero es K= 80 000lb/pulg2 y el exponente de endurecimiento por deformación n=0,24. El coeficiente de fricción en la interface dado-trabajo =0,10. El alambre del cual se hace el clavo es de 3/16 de pulg de diámetro. La cabeza tiene un diámetro de 3/8 de pulg y un espesor de 1/16 de pulg: a) ¿Qué longitud de alambre se debe proyectar fuera del dado para proveer el volumen suficiente de material para esta operación de recalcado? b) calcule la fuerza máxima que debe aplicar el punzón para formar la cabeza en esta operación de dado abierto. a) En este ejercicio lo que debemos calcular primero es el volumen que compone la cabeza del clavo que es el mismo del alambre que se proyecta fuera del dado.
14.34 Diseñe un método experimental por el cual pueda medir sólo la fuerza requerida para forjar la rebaba en el forjado por impresión de matriz.
14.35 suponga que representa a la industria del forjado y que está enfrentando a un representante de la industria de la fundición ¿Qué le diría a esa persona sobre los méritos de los procesos de forjado? El proceso de modelado por forja es en cierto grado superior a los procesos de modelado por fundición por los siguientes aspectos: *El forjado de piezas metálicas ofrece un menor costo cuando la fabricación es en alto volumen * Una de las más grandes dificultades y desventajas de la fundición son los altos puntos de fusión de los aceros que se requiere para poder llevarse a cabo la fundición. *Casi todos los metales -ferrosos y no ferrosos pueden ser forjados. *Se puede utilizar cualquier tipo de acero: al carbón, aleado, inoxidable o superlación. *Ningún otro proceso de deformación del acero puede igualar la capacidad de la forja de desarrollar una óptima combinación de propiedades. 14.36 En la figura P14.36 se muestra una forja redonda por impresión de matriz producida con una pieza en bruto cilíndrica, como se muestra a la izquierda. Conforme a lo descrito en este capítulo, dichas partes están hechas en una secuencia de operaciones de forjado. Sugiera una secuencia de pasos intermedios de forjado para hacer la parte de la derecha y dibuje la forma de las matrices requeridas. Operaciones: Preparar una pieza de metal, tocho o preforma mediante procesos como cizallado (recorte), aserrado o tronzado. calentar la pieza de trabajo en un horno apropiado, Para forjado en caliente, precalentar.
Forjar el tocho en las matrices apropiadas y en la secuencia adecuada. De ser necesario eliminar cualquier exceso de material. Realizar la operación de Punzonado de cavidades o clavado. Efectuar operaciones adicionales, como enderezado y tratamiento térmico (para mejorar las propiedades mecánicas) 14.37 Los engranes se pueden fabricar por medio de forjado, en particular los engranes cónicos. Investigue en la bibliografía técnica y describa la secuencia de los pasos de manufactura comprendidos. Comente la calidad de dicho engrane si se compara con uno fabricado mediante los procesos de fundición descritos en el capítulo 11.
FORJA DE UN ENGRANE La zona de forja está formada por el horno de inducción, la prensa que realiza la deformación plástica, las prensas de rebaba y las prensa de punzonado en el caso de los engranajes. Una vez los tacos están cortados a la medida óptima según los cálculos del diseño, son conducidos mediante la cadena transportadora hasta la zona de calentamiento. Los hornos son necesarios para la preparación del material antes de la deformación plástica. Como norma general la temperatura de trabajo debe ser la máxima de forma que no se produzca oxidación en el material. Además de no producir reacciones químicas indeseadas como la descarburación o defectos internos o externos en la pieza. La mínima temperatura de calentamiento del material debe ser aquella en la que el material obtenga la viscoplasticidad que permita su deformación. La temperatura de calentamiento estará situada en torno a los 1000º C. En el pliego de condiciones se establecen las temperaturas a las que se debe trabajar en función del tipo de engranaje que se va a fabricar. La temperatura de proceso es también, como lo es el aspecto dimensional, un parámetro que debe ser controlado. Para ello, se utilizan medidores pirométricos electrónicos, dispuestos en la salida del horno.. Si durante este proceso se detectara una temperatura anómala se efectuaría un rechazo de la pieza mediante selectores mecánicos comandados por la orden de los medidores pirométricos. El horno utilizado en el proceso es de inducción. El proceso de inducción genera calor gracias al efecto de histéresis magnética y las corrientes de Foucault, producidas en el interior del material por un campo magnético alterno de una bobina que envuelve la pieza. El
proceso de calentamiento dura aproximadamente 1 minuto y medio desde que el taco se introduce en el horno hasta que la temperatura se estabiliza. Para la fabricación de los engranajes se parte del taco con el diámetro adecuado. La primera operación se lleva a cabo en matriz abierta y se obtiene una preforma que recibe el nombre de “pan”. La siguiente operación se realiza en matriz cerrada de donde se obtiene la pieza final. Los troqueles son piezas con una vida limitada debido a los grandes esfuerzos que realizan. Por ello se debe controlar periódicamente el estado de los troqueles. El material utilizado para estas piezas es acero para trabajos en caliente Los ejes primarios de cambio comienzan el proceso de fabricación con una forja libre para el reparto másico. Posteriormente, son necesarios dos procesos de forja cerrada para obtener la geometría definitiva previa al mecanizado. Del mismo modo que para los engranajes, se debe realizar un rebabado de la pieza. Las prensas de rebaba eliminan el exceso de material de la pieza forjada. Este material sobrante describe un contorno siguiendo la línea de los dos troqueles. El material sobrante se recoge en contenedores para el reciclaje. En este punto del proceso se llevan a cabo operaciones de control mediante detectores magnéticos de grietas con el objetivo de confirmar que la operación de forja es correcta. Además de esta comprobación se hace un análisis dimensional básico de la pieza para comprobar que no existan defectos de llenado, exceso de rebaba o desplazamiento de las matrices. Al finalizar el granallado se efectúa un control visual de todas la piezas. Es posible que exista algún defecto que haya podido el eliminar el proceso de granallado. Estos defectos se rectificarán mediante pequeñas muelas. La zona de expedición y control final comprende las operaciones de ensayo de defectos mediante corrientes inducidas. El ensayo se realiza según el manual de calidad de las piezas. El proceso de fabricación de la planta de forja finaliza en este punto a falta de la expedición. Finalmente, las piezas son empaquetadas en cajas de madera y etiquetas con el distintivo de conformidad. con lo visto del capítulo 11 se puede notar que los engranes son comúnmente fabricados en fundición en comparación el proceso de fundición ofrece tanto ventajas como desventajas en el proceso de formado ya que requieren bastante control de temperatura y formado en la forja más que en el fundido ya que el fundido puede tener más precisión en cualquier tipo de engrane que quiera hacerse.
14.38 El forjado es un método de producción de álabes para turbinas de motores a reacción (además de la fundición o el maquinado). Estudie el diseño de dichos álabes y la literatura técnica; después prepare un procedimiento paso por paso para producir álabes mediante forjado. Comente las posibles dificultades que se pueden encontrar y ofrezca soluciones. Pasos: 1. Se realiza mediante aleación de níquel a 600*C 2. Se cubre con una capa de cerámica para evitar que la superficie se oxide a altas temperaturas 3. Se calienta durante 15 minutos en u horno a 900*C 4. Mediante un robot vaporiza este en lubricantes de dos troqueles dentro de un pieza, luego se recoge las porciones y se llena en el primer troquel 5. Luego se transporta al segundo troquel donde este se forma una pala, seguidamente este se enfría. 6. Se lima la rebaba de los cantos de la pala 7. Se da forma a la lámina mediante cola de Milán. 8. A 900*C se calienta la cerámica y luego se enfría por ciclos esto hace que llegue a tener mayor resistencia la pala 9. Luego a 1600 tn de presión se da forma definitiva al alabe 10. Se elimina el exceso del metal donde el calor convierte la capa de cerámica en cristal y luego se despega 11. Se tarda una hora en hacer el alabe 12. Se inspecciona con la máquina de medir (en el caso de fallas 1?2 de grosor del cabello es rechazada) 13. Se realiza una matriz de cobertura que protege durante la cola de milano 14. Se moldea la matriz a través de esta; o líquido y bismuto 15. Se solidifica con n molde duro alrededor del alabe 16. La col de milano sobresale en los extremos y luego se carga en una rectificadora con serie de dientes que esculpe la cola de milano en los extremos finales 17. Se quita el molde , luego se carga en una máquina para retirar la pieza seguidamente se golpea con un cilindro hidráulico en su punto más débil hasta partirlo en dos 18. Luego se saca el alabe, luego se sumerge en un líquido que penetra en cualquier imperfección del metal 19. Se inspecciona nuevamente y se examina con luz ultravioleta luego se realiza con la cola de mileno para el sellado dal vacio de la pieza y se hace el ultimo chequeo Comentario: -
El alto rendimiento de corte de la cerámica se basa en las características especiales del material de corte. Esto incluye dureza extremadamente alta hasta 3.000 HV10 (metal duro: hasta un máximo de 2.500 HV10), alta Resistencia a la temperatura de 1.100 °C (metal duro:
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máximo 1.000 °C), un bajo coeficiente de fricción y una baja adherencia al desgaste. Sin embargo, estas propiedades beneficiosas sólo se pueden utilizar si se cumplen varias condiciones. Todo depende de la buena estabilidad de la pieza y del bajo voladizo de la herramienta. La máquina tiene que estar diseñada para trabajar a unas revoluciones entre 15.000 a 30.000 rpm con el fin de ser capaz de utilizar las estrategias pertinentes con altas velocidades de corte. También tiene que estar equipada con un sistema de extracción con guías encapsuladas para las partículas de cerámica que se producen durante el mecanizado.
14.39 Al comparar partes forjadas y fundidas, notamos que una misma parte se puede fabricar mediante ambos procesos. Comente las ventajas y desventajas de cada proceso, considerando factores como el tamaño de la parte y la complejidad de la forma, la flexibilidad del diseño, las propiedades mecánicas desarrolladas y el desempeño durante el servicio. Ha habido ahorros importantes en los costos de muchas partes cuando se utilizan forjas optimizadas de acero en lugar de fundiciones. La fundición en molde desechable, puede ser bastante más económica que su producción por medio de forjado para lotes más cortos de producción. Este método de fundición no requiere moldes ni herramentales costosos, en tanto que el forjado exige matrices costosas.
Por lo general, se prefieren los aceros fundidos para matrices grandes debido a su resistencia y tenacidad, así como por la facilidad con que se puede controlar y modificar la composición del acero, el tamaño de los granos y las propiedades. Como sucede con los modelos utilizados en la fundición, en el diseño de las matrices de forjado se proveen tolerancias, porque quizá sea necesario el maquinado de la forja para obtener las dimensiones finales y el acabado superficial deseado 14.40 Con base en los datos proporcionados en la tabla 14.3, obtenga el valor aproximado de la resistencia a la fluencia de estos materiales a temperaturas de forjado en caliente. Dibuje una gráfica de barras que muestre el diámetro máximo de una parte forjada en caliente producida en una prensa con capacidad de 60 toneladas en función del material.
14.41 Consiga varios pernos, clavos y tornillos de diferentes tamaños. Mida el volumen de las cabezas y calcule la relación original sin soporte de longitud a diámetro para estas partes. Analice estos números en relación con lo tratado en el texto.
14.42.- Revise la secuencia de operaciones en la producción del pernos escalonado que se muestra en la figura 14.13. Si no se efectúa el paso de recalcado cónico, ¿Cuáles serían las consecuencias en la parte final?
Mucha escamación en las piezas forjadas. Incumplimiento en las normas internacionales de tolerancias. Piezas deformadas. Irregularidad en la geometría. Piezas de baja calidad.
14.43 Efectué operaciones de forja de desbaste simple en piezas de arcilla mediante una pieza plana de madera y realice observaciones sobre el ensanchamiento de las piezas en función de las secciones transversales originales de los especímenes de arcilla (Por ejemplo, cuadrada o rectangular con diferentes relaciones de espesor anchura).
14.44 Discuta sobre los posibles problemas ambientales relacionados con las operaciones descritas en este capítulo. El sector metal se encuentra dentro de los sectores industriales con mayor impacto social y económico. Actualmente el sector metal está constituido por unas 137.000 empresas y supone, aproximadamente, un tercio de la producción industrial del país. El sector metal abarca actividades muy diversas: Producción y primera transformación de metales. Estructuras metálicas. Carpintería metálica. Calderería. Tratamiento y revestimiento de metales.
Mecanizado. Forja, estampado, embutición y troquelado. Fabricación de productos metálicos, etc Las empresas, incluidas las del sector metal, realizan actividades que inciden sobre el Medio Ambiente, la mayoría de los impactos son negativos provocando contaminación en el entorno. Esta contaminación se traduce en problemas ambientales tanto a nivel local como global. Impactos asociados a la contaminación atmosférica Los impactos asociados a la contaminación atmosférica pueden darse a nivel: GLOBAL: Lluvia ácida Efecto invernadero Destrucción de la capa de ozono LOCAL: Polución del aire del entorno.
Impactos asociados a la generación de residuos Afecciones al suelo por contacto directo de residuos contaminados. Afecciones a las aguas por lixiviación de sustancias peligrosas que puedan contener los residuos. Afecciones paisajísticas por la acumulación de residuos. Afecciones al entorno natural de la zona Entonces los problemas ambientales más importantes respecto al medio ambiente son la generación de dos tipos de residuos, la chatarra (chips y viruta) y los residuos generados a partir de los usos de los fluidos de trabajo (lubricantes y enfriamiento), además de emisiones de calor, maquinaria vieja y ruido.
