La forja, al igual que la laminación y la extracción, es un proceso de conformado por deformación plástica que puede realizarse en caliente o en frio y en el que la deformación del material se produce por la aplicación de fuerzas de comprensión, Este proceso se utiliza para dar una forma y unas propiedades determinadas a los metales y aleaciones a los que se aplica mediante grandes presiones. Este proceso es la operación mas antigua para el formado de metales y se remonta quizá al año 5000 a.c. En la actualidad el forjado es un proceso Industrial importante, mediante el cual se hacen una variedad de componentes de alta resistencia, la dureza y que nos dan fiabilidad.
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El forjado es la deformación controlada de un metal hasta una forma final mediante la aplicación de presión o de impactos sucesivos. La forja al igual que a laminación y la extracción es un proceso de conformado por deformación plástica que puede realizarse en caliente o en frio
EN FRIO: Fundamentalmente se efectúan operaciones de acabado o aquellas que se caracterizan por pequeños porcentajes de deformación. FORJA EN CALIENTE: El 90% de piezas forjadas son hechas con este método. Con el calentamiento correcto de la pieza se mejora la capacidad de ésta para cambiar de forma y dimensiones. FORJA
Este proceso de fabricación se utiliza para dar una forma y unas propiedades determinadas a los metales y aleaciones a los que se aplica mediante grandes presiones. La deformación se puede realizar de dos formas diferentes: Por presión, de forma continua utilizando prensas. Por impacto, de modo intermitente utilizando martillos pilones.
Por presión, continua prensas.
de forma utilizando
Por impacto, de modo intermitente utilizando martillos pilones.
Hay que destacar que es un proceso de conformado de metales en el que no se produce arranque de viruta, con lo que se produce un importante ahorro de material respecto a otros procesos, como por ejemplo el mecanizado.
La forja tiene una variedad de aplicaciones en distintos campos, algunas de ellas son las siguientes:
Bielas Cigüeñales Ejes Barandillas Cabezas de tornillos de pernos Remaches
En general podrán ser forjados todos aquellos materiales y aleaciones que presenta una buena plasticidad a la temperatura de trabajo, por lo que los cúbicos de cara centrada y algunos cúbicos de cuerpo centrado y hexagonales compactos podrán forjarse; los mas comunes son los aceros al carbono y de baja aleación. Materiales con alguna aplicación industrial son; por ejemplo ACEROS INOXIDABLES. ACEROS REFRACTARIOS. ALUMINIO Y ALEACIONES DE ALUMINIO. COBRE Y SUS ALEACIONES. MAGNESIO Y SUS ALEACIONES . TITANIO Y SUS ALEACIONES. NIQUEL Y SUS ALEACIONES. BERILIO Algunas aleaciones de materiales refractarios, tales como el tungsteno, niobio y molibdeno.
1. FORJA LIBRE O FORJADO EN DADO ABIERTO.. Consiste en comprimir una parte de sección cilíndrica entre dos dados planos, muy semejante a un ensayo de la comprensión. Esta operación de forjado se conoce como recalcado, reduce la altura de material de trabajo e incrementa su diámetro.
Si el forjado en dado abierto se lleva a cabo bajo condiciones ideales, sin fricción entre el material de trabajo y la superficie del dado, ocurre una deformación homogénea y el flujo radial de material es uniforme a lo largo de su altura. Bajo condiciones ideales, el esfuerzo real que experimenta el material durante el proceso, se puede determinar por:
Donde:
Se puede estimar la fuerza para ejecutar el recalcado. Se puede obtener la fuerza requerida para continuar la comprensión a una altura dada h durante el proceso, multiplicando el área correspondiente de la sección transversal por el esfuerzo
Este proceso de forjado cuenta con una serie de ventajas y desventajas. VENTAJAS
Sencillez de sus dados que hacen el proceso bastante económico. Útil para un numero pequeño de piezas a realizar. Amplia gama de tamaños disponibles. Altos valores de resistencia.
DESVENTAJAS
Limitación de la forma del dado a la hora de crear piezas complejas. Necesidad de obtener la forma final mediante maquinaria. Poca capacitación de producción. Mala utilización del material a procesar. Destreza para llevar a cabo el proceso correctamente.
2. FORJA CON ESTAMPA O CON DADO CERRADOS Este tipo de forja consiste en colocar la pieza entre dos matrices que al cerrarse conforman una cavidad con la forma y dimensiones que se desean obtener para la pieza. A medida que avanza el proceso, ya sea empleando martillos o prensas, el material se va deformando y adaptando a las matrices hasta que adquiere la geometría deseada. Se utiliza para fabricar grandes series de piezas cuyas dimensiones y geometrías pueden variar ampliamente
VENTAJAS
Buena utilización del material a procesar. Obtención de piezas con mejores propiedades mecánicas que las obtenidas en forja con dado abierto. Buena precisión dimensional. Gran capacidad de producción y reproductibilidad.
DESVENTAJAS
Gran coste de los dados para bajo número de piezas a producir. Necesidad del maquinado para la obtención del producto fina.
2.1. FORJADO CON DADOS CERRADO CON ALTA PRECISION: En este tipo de forjado se necesitan dados especiales y más complicados, un control más exhaustivo del volumen y forma del tejo, ubicación precisa del tejo en la cavidad del dado y en consecuencia una mayor inversión económica. Sin embargo, se desperdicia menos material y no se precisa tanto maquinado final porque la pieza está más cercana a lograr su forma final.
Las ventajas de realizar una forja de precisión son: Las tolerancias cerradas. Con frecuencia no se requieren operaciones de maquinado. Muy buena utilización del material. Factible con almas y bridas muy delgadas.
Como inconveniente podemos decir que: Se requieren grandes fuerzas. Que los dados son intrincados. Se requieren medios para separar la forjadura de los dados.
3. FORJADO ISOTERMICO El forjado isotérmico es un tipo especial de forja en la cual la temperatura de los troqueles es significativamente superior a la utilizada en procesos de forja convencional. 3.1 TROQUELES:
Se le llama troquel a la herramienta que, montada en una prensa permite realizar operaciones diversas
4.FORJA CON RODILLOS Este proceso se emplea para reducir la sección transversal de barras, razón por la cual se aplica en operaciones de preforma para la posterior forja en estampa. Por la forma en que se realiza y debido a su limitada aplicación, en muchas ocasiones no se le menciona al definir los procesos de forja; normalmente involucra grandes deformaciones, por lo que se efectúa en caliente.
NOTA: LA PIEZA YA FORJADA NECESITA POSTERIORMENTE OTROS PROCESOS COMO TRATAMIENTO TERMICO PARA MODIFICAR SUS PROPIEDADES Y ALGUN TIPO DE MAQUINADO PARA OBTENER LAS DIMENSIONES EXACTAS, PARA REDUCIR ESTOS PROCESOS HOY EN DIA EXISTEN FORJADOS EXACTOS COMO YA EXPLICADO ANTERIORMENTE.
Se han automatizado muchas maquinas e instalaciones de forjado y hoy las operaciones están controladas por computadoras, las piezas brutas y las forjas se manejan con ROBOTS y demás equipos de manejo automático este manejo puede incluir la carga y descarga de los hornos. Se usan manipuladores mecánicos para mover y ubicar el material en los dados. Se han automatizado la lubricación y otras operaciones como el troquelado, el tratamiento térmico y el transporte del material Las capacidades de producción han aumentado debido al mejor control de todos los aspectos de las operaciones de forja. La automatización a dado muy buenos resultados en la producción de piezas de alta calidad como engranes, ejes , tuercas, tornillos, etc.
BRAZOS ROBOTICOS AUTOMATIZADOS EN EL PROCESO DE FORJA
CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DE LA PIEZA ESTAMPADA: •
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Diseñar correctamente el proceso de fabricación . definir las fases . Definir las máquinas que deben emplearse.
A.- Definir la geometría de la pieza que se va a realizar y el tipo de dados adecuados y el diseño del alojamiento de la rebaba
a. Geometría de la estampa acabadora b) Diseño del cordón y alojamiento de la rebaba .
B.- ELECCION DEL TIPO DE FORJA A REALIZAR: Martillos para forja:
Martillos para forja: (a) Para forja libre, (b) Para forja en estampa
C-.ELECCION DE TIPO DE PRENSA A UTILIZAR: Prensas para forja:
: (a) Mecánica
(b) Hidráulica
El costo de la mano de obra, el tamaño del lote, además de, por supuesto, las facilidades de que se disponga, determinarán la forma en cómo se efectúa el proceso; esto es, si se utilizan varias máquinas que trabajen secuencialmente o una sola que cuente de una matriz múltiple. El primer caso se empleará cuando se trate de series muy grandes, mientras que el segundo se utilizará cuando la producción no justifique la inversión en varias prensas. Cuando las series son muy limitadas (menores a 500 piezas), no es conveniente fabricar matrices múltiples, con lo que se sacrifica entonces precisión al emplear una sola etapa para la fabricación Si tuvieran que fabricarse unas pocas piezas de un determinado tipo, sería suficiente una matriz de un acero de poca calidad e incluso no se requeriría mucha precisión en el maquinado del dado, ya que el mecanizado posterior de las piezas forjadas compensará las deficiencias de éstas y se habrá ahorrado mucho dinero en la fabricación de la matriz. Incluso el proceso de fabricación depende del número de piezas; para grandes series es importante diseñar el número suficiente de fases que permita una buena utilización del material y gran duración de las matrices.
FORMULAS: La fuerza de forjado necesaria para realizar el estampado se realiza mediante esta formula :
donde sí se trata de forja con estampa A es el área proyectada de la pieza incluyendo la rebaba y Kf (factor de forma) se obtiene de la siguiente tabla y Yf es el esfuerzo de flujo del material a la temperatura del forjado. EN FORJA LIBRE A es el área de contacto entre la matriz y la pieza y Kf se
obtiene de:
Donde es el coeficiente de rozamiento entre el material y la prensa, y D y h son el diámetro (o longitud de contacto) y la altura de la pieza en el instante calculado. Cálculo del esfuerzo de fluencia: donde K es el coeficiente de resistencia a la fluencia del material y n es el coeficiente de endurecimiento por acritud.
Cálculo de la deformación: donde hi es la altura inicial del bruto de partida y h f es la altura final.
MATERIALES DE LOS DADOS La mayoría de las operaciones de forjado especialmente para grandes piezas se realizan a elevadas temperaturas. Los requerimientos comunes para los materiales del dado son: a) gran tenacidad y resistencia a altas temperaturas. capacidad de endurecimiento de forma uniforme. b) c) resistencia al choque mecánico y térmico. d) resistencia al desgaste, especialmente al desgaste abrasivo, por la existencia de
cascarilla en la forja en caliente.
LUBRICACION DE LOS DADOS Otro aspecto importante del lubricante es que puede actuar como barrera térmica entre la pieza caliente y los dados que se encuentran relativamente fríos, disminuyendo la velocidad de enfriamiento de la pieza y mejorando el flujo del metal. También sirve como agente de desprendimiento ya que impide que la pieza forjada se pegue en los dados. En el forjado se puede emplear gran variedad de lubricante. Para una forja caliente se suelen emplear grafito, disulfuro de molibdeno, y, a veces, vidrio. Para la forja en frío los lubricantes que se usan generalmente son aceites minerales y jabones, aplicados después del recubrimiento de conversión de las piezas brutas. En la forja en caliente el lubricante se suele aplicar directamente sobre los dados, mientras que en la forja en frío se aplica sobre la pieza. El método de aplicación y la uniformidad del espesor del lubricante son muy importantes para la calidad del producto forjado.
FALLOS EN LOS DADOS Estos fallos se deben generalmente en las operaciones de manufactura, a una o más causas que se citan a continuación: a) diseño inadecuado. b) defecto del material. c) sobrecalentamiento y agrietamiento térmico. d) tratamiento térmico y operaciones de acabado inadecuados. e) sobrepeso. f) desgaste excesivo. g) mal uso y manejo inadecuado. El diseño adecuado es muy importante. Para resistir las fuerzas en los procesos de manufactura, un dado debe tener secciones transversales, holguras adecuadas y las esquinas agudas. Los biseles y radios, así como los cambios abruptos en sección transversal actúan como concentradores de tensiones. Los dados se pueden segmentar, y esforzarse durante el ensamblado para mejorar su resistencia.
ECONOMIA DEL FORJADO: En el costo de las forjas intervienen varios factores. Los costos de herramientas y dados van desde moderados a altos, dependiendo de la complejidad de la pieza. Sin embargo , como en otras operaciones de manufactura, este costo se reparte entre las partes que se forjaron con determinado juego de dados .Así, aun cuando el costo de material por pieza sea constante , los costos de preparación y de herramientas por pieza producida, disminuyen a medida que aumenta la cantidad de piezas forjadas La relación del costo del material al costo total de forja la pieza aumenta con el peso del material forjado; mientras más costoso sea el material , la relación de su costo entre su costo total será mayor. Como se deben fabricar dados y se deben efectuar las operaciones de forjado independientemente del tamaño de la pieza , el costo de los dados y de la operación de forjado en relación con el costo del material es grande, para piezas pequeñas y, a la inversa , los costos de material son relativamente bajos. En general , los costos de mano de obra del forjado son moderados; se han reducido en forma apreciable mediante operaciones automatizadas y controladas por computadora. El diseño y fabricación de los dados se hacen hoy con técnicas de diseño y manufactura asistidas por computadora, que producen ahorros importantes en tiempo y esfuerzo
COMPONENTES DEL COSTE FINAL DE UN PRODUCTO FORJADO: • Costes de material. • Costes de utillajes. • Costes de producción. • Costes de mecanizado.
El COSTE UNITARIO del producto está relacionado con el TAMAÑO DE LA SERIE a producir: • Cuanto mayor sea la serie, resulta más económico ajustar la forma forjada a la
forma final de la pieza, reduciendo el mecanizado.
