ESTAMPACIÓN 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 (fig. 14.5a a c). Por lo general, este proceso se realiza a temperaturas elevadas para mejorar la ductilidad de los metales y disminuir las fuerzas. Obsérvese que en la figura 14.5c, durante la deformación, parte del material fluye hacia el exterior y forma unos bigotes o rebaba de forja. 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. Por lo tanto, con base en el principio de que en la deformación plástica los materiales fluyen hacia donde hay menor resistencia (debido a que requiere menos energía), el material empieza a fluir al interior de la cavidad de la matriz, llenándola finalmente. En la figura 14.5d se muestra la terminología estándar para una matriz común de forjado. En vez de hacerse de una sola pieza, las matrices se pueden fabricar de varias piezas (segmentadas), incluyendo (fig. 14.6) y en particular para formas complejas. Es posible reemplazar insertos de matrices estos insertos con facilidad en caso de desgaste o falla en una sección particular de la matriz, y por lo general se hacen de materiales más resistentes y duros. Por supuesto que las matrices deben permitir la extracción de las forjas sin dificultad (ver también sección 14.6). La pieza en bruto, o tocho, que se va a forjar, se prepara por medios como (a) corte de un barra de material extruido o estirado; (b) una preforma de operaciones como
metalurgia de polvos; (c) fundición; o (d) utilización de una pieza en bruto preformada mediante una operación previa de forjado. Dicha pieza se coloca en la matriz inferior y conforme la matriz superior empieza a descender, la forma de la pieza en bruto cambia gradualmente, como se muestra para el forjado de una biela en la figura 14.7a. FOTO El diseño de las matrices de forjado requiere bastante conocimiento y experiencia respecto de la forma y complejidad de la pieza de trabajo, su ductilidad, resistencia y sensibilidad
a
la
velocidad
de
deformación
y
temperatura,
además
de
sus
características de fricción. La distorsión de la matriz bajo cargas elevadas de forjado también debe considerarse en el diseño, en particular si se requieren tolerancias dimensionales cerradas. La regla más importante en el diseño de matrices es que la parte fluye hacia donde hay menor resistencia. Por ello, deben planearse las formas
intermedias de la pieza de trabajo de manera que llenen adecuadamente las cavidades de la matriz. La mayoría de las operaciones de forjado (en especial para partes grandes) se efectúa a temperaturas elevadas. De este modo, los requisitos generales de los materiales para matrices son: • Resistencia y tenacidad a temperaturas elevadas.
• Templabilidad y capacidad de endurecimiento uniforme. • Resistencia al impacto mecánico y térmico. • Resistencia al desgaste (en particular al abrasivo) debido a la presencia de cascarilla en el forjado en caliente. Los materiales comunes para matrices son los aceros para herramientas y matrices que contienen cromo, níquel, molibdeno y vanadio. En el forjado se puede utilizar una gran variedad de fluidos para trabajo de los metales Los lubricantes influyen en gran medida en la fricción y el desgaste. Por consiguiente, afectan las fuerzas requeridas y la manera en la que el material fluye en las cavidades de las matrices. También pueden actuar como barrera térmica entre la pieza de trabajo caliente y las matrices relativamente frías, lo que reduce la velocidad de enfriamiento de dicha pieza y mejora el flujo del metal. Otro papel importante del lubricante es actuar como agente separador, que evita que la pieza forjada se adhiera a las matrices y ayuda a extraerla de la matriz. Por lo general, las operaciones de preformado (fig. 14.7b y c) se utilizan para distribuir el material adecuadamente en varias regiones de la pieza en bruto, mediante matrices con formas simples de diversos contornos. En el forjado con dado convexo, se retira el material de un área. En el forjado con dado cóncavo, se acumula en un área localizada. Después se le da a la parte una forma aproximada (digamos, una biela) por medio de un proceso conocido como aproximación o bloqueo, utilizando matrices de
aproximación. La operación final es el terminado del forjado en las matrices de impresión, que le proporcionan su forma final. Luego se elimina la rebaba mediante una operación de recortado de rebabas (fig. 14.8). La fuerza de forjado (F) requerida para efectuar una operación de forjado con matriz
de impresión se puede calcular a partir de la fórmula
en la que k es un factor multiplicador que se obtiene de la tabla 14.2, Yƒ el esfuerzo de flujo del material a la temperatura de forjado y A el área proyectada de la pieza forjada, incluyendo la rebaba. Por lo general, en las operaciones de forjado en caliente, la presión real del forjado para la mayoría de los metales va de 550 a 1000 MPa (80 a 140 ksi). CASO PRACTICO ESTAMPACION 1. Preparar un tocho de metal mediante procesos como cizallado (recorte), aserrado o tronzado. De ser necesario, limpiar las superficies por medios como la limpieza con chorro de granalla. 2. Para forjado en caliente, calentar la pieza de trabajo en un horno apropiado y después, de ser necesario, eliminar la cascarilla tras el calentamiento con un cepillo de
alambre, chorro de agua, vapor o raspado. La cascarilla también se puede eliminar durante las etapas iniciales del forjado, ya que es quebradiza y se desprende durante la deformación. 3. Para forjado en caliente, precalentar y lubricar las matrices; para forjado en frío, lubricar la matriz. Las matrices previamente se han fabricado mediante un proceso de mecanizado por control numérico. 4. Forjar el tocho en las matrices apropiadas y en la secuencia adecuada. De ser necesario, eliminar cualquier exceso de material (como las rebabas) por medio de recortado, maquinado o esmerilado. 5. Limpiar la forja, verificar sus dimensiones y (de ser necesario) maquinarla hasta obtener las dimensiones finales y las tolerancias especificadas. 6. Efectuar operaciones adicionales, como enderezado y tratamiento térmico (para mejorar las propiedades mecánicas). Además, realizar las operaciones de acabado que sean necesarias, como maquinado y rectificado. 7. Inspeccionar la forja en caso de cualquier defecto externo e interno. La calidad, tolerancias dimensionales y acabado superficial de una forja dependen de cuán bien se efectúan y se controlan estas operaciones. Por lo general, las tolerancias se clasifican entre _0.5 y _1% de las dimensiones de la forja. En una buena práctica, por lo general las tolerancias para forjado en caliente del acero son menores a _6 mm (1/4 pulgada); en el forjado de precisión, pueden ser hasta de _0.25 mm (0.01 pulgada). Otros factores que contribuyen a las imprecisiones dimensionales son los ángulos de salida, los radios, los filetes, el desgaste y cierre de las matrices (si cierran bien o no) y la asimetría de las mismas. El acabado superficial de la forja depende de la preparación de la pieza en bruto, el acabado superficial de la matriz, el desgaste de ésta y la eficacia del lubricante.
