Índice 1. Introducción________________________________________ 3 2. Definición__________________________________________ 4 3. Clasificación de laminado _____________________________ 4 4. Materiales para forja ________________________________ 11 5. Asociaciones internacionales _________________________ 16 6. Principales fabricantes _______________________________17 7. Diagrama de flujo de proceso de forja ___________________18 8. Maquinaria ________________________________________18 9. Herramentales _____________________________________ 22 10. Herramientas _____________________________________ 26 11. Control de calidad _________________________________ 28 12. Seguridad Industrial________________________________ 29 13. Control Ambiental__________________________________ 30 14. Bibliografía _______________________________________31
1. Introducción Página 1
El forjado fue el primero de los procesos del tipo de compresión indirecta y es probablemente el método más antiguo de formado de metales. Involucra la aplicación de esfuerzos de compresión que exceden el esfuerzo de fluencia del metal. El esfuerzo puede ser aplicado rápida o lentamente. El proceso poder realizarse en frío o en caliente, la selección de temperatura es decidida por factores como la facilidad y costo que involucre la deformación, la producción de piezas con ciertas características mecánicas o de acabado superficial es un factor de menor importancia. Existen dos clases de procedimientos de forjado: forjado por impacto y forjado por presión. En el primero, la carga es aplicada por impacto y la deformación tiene lugar en un corto tiempo. Por otra parte, en el forjado por presión, se involucra la aplicación gradual de presión para lograr la cedencia del metal. El tiempo de aplicación es relativamente largo. Más del 90% de los procesos de forjado son en caliente. El forjado por impacto a su vez puede ser dividido en tres tipos:
Forjado de herrero.
Forjado con martinete.
Forjado por recalcado.
Los procedimientos de conformación tienen sus particularidades y la forja tiene el suyo. En ese sentido se lleva a cabo a base de someter a esfuerzos violentos y continuos al material que previamente se habrá calentado a una temperatura entre la de re cristalización y la de fusión. A medida que aumenta la temperatura, las deformaciones se consiguen con menor esfuerzo, pudiendo ser ilimitadas, no produciendo acritud. Es un procedimiento antiquísimo que se remonta a diversos pueblos antes de Cristo. Hoy día se sigue utilizando para multitud de piezas de diversas formas.
2. Definición Página 2
El forjado es un proceso de deformación en el cual el material se comprime entre los dados, usando una fuerza de impacto o una presión gradual para formar la pieza. El proceso puede realizarse en frío o en caliente, la selección de temperatura es decidida por factores como la facilidad y costo que involucre la deformación, la producción de piezas con ciertas características mecánicas o de acabado superficial. Este proceso es la operación más antigua para formado de metales y se remonta quizá al año 5000 a. C. En la actualidad el forjado es un proceso de industrial importante, mediante el cual se hacen una variedad de componentes de alta resistencia para automóviles, vehículos aeroespaciales y otras aplicaciones. La industria del acero y de otros metales básicos usa el forjado para fijar la forma básica de grandes componentes que luego se maquinan para lograr su forma final y dimensiones definitivas.
3. Clasificación En general existen dos clases de forja, en matriz abierta y en matriz cerrada. En la forja en matriz abierta, el metal no está completamente contenido en el dado, el forjado con martinete es un ejemplo característico de este método. La pieza es formada debido a rápidos y sucesivos golpes del martillo. Más importante es la forja en matriz cerrada, y se utiliza mucho para alta producción. En el proceso, el metal es formado prensándose entre un par de dados. El dado superior se fija generalmente al ariete de una prensa de forja o a un martillo, mientras que el inferior queda sujeto al yunque. Juntos constituyen la matriz cerrada. El método permite obtener piezas de gran complejidad y exactitud, así como un buen acabado. Concretando, es posible delimitar las aplicaciones básicas y campos de utilización de la forja de matriz abierta y en matriz cerrada de la siguiente manera: Forja en matriz abierta: Producción de piezas pesadas con tolerancias grandes y en lotes pequeños y medianos. Forja en matriz cerrada: Producción de piezas de peso reducido, de precisión y en lotes de 1000 a 10000 unidades. Forja en Dado Abierto Consiste en comprimir una parte de sección cilíndrica entre dos dados planos, muy semejante a un ensayo de la compresión. Esta operación de forjado se conoce como recalcado o forjado para recalcar, reduce la altura de material de trabajo e incrementa su diámetro. Las formas generadas por operaciones en dado abierto son simples. Los dados en algunas aplicaciones tienen superficies con ligeros contornos que ayudan a formar el material de trabajo. Las operaciones de forja en dado abierto producen formas rudimentarias que necesitan operaciones posteriores para refinar las partes a sus dimensiones y geometría final.
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Forja de Dado Cerrado o de dados de Impresión La forja en dados de impresión comprime al metal entre dos dados (herramientas) que contienen una cavidad perforada de la pieza deseada. Las piezas que pueden manufacturarse se van desde unos cuantos gramos hasta decenas de toneladas. Algunas piezas pequeñas pueden forjarse en frío.
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Forja con Dado Inversor Se realiza con dados que tienen la forma inversa a la requerida para la parte. La pieza de trabajo inicial se muestra como una parte cilíndrica. El metal fluye más allá de la cavidad del dado y forma una rebaba en la pequeña abertura entre las placas del dado. Aunque la rebaba se recorta posteriormente, tiene realmente una función importante en el forjado por impresión, ya que cuando ésta empieza a formarse, la fricción se opone a que el metal siga fluyendo hacia la abertura, y de esta manera fuerza al material de trabajo a permanecer en la cavidad.
Forja en frío Se denomina forja en frío aquellas deformaciones que se realizan por debajo de la temperatura de recristalización y en donde las deformaciones generalmente se dan a temperatura ambiente. En frío generalmente las deformaciones son sobre piezas más pequeñas, mientras que en caliente se da en piezas de mayor tamaño. Más allá de que no hay degradaciones superficiales por efecto de temperaturas, al generar deformaciones plásticas sobre el material, se obtienen incrementos en las propiedades mecánicas. Forja en caliente En las operaciones de forjado en caliente es importante la temperatura de forja (Tf) a la que se eleva el material, pues si la Tf es demasiado alta, este puede romperse o agrietarse. Por otro lado, si es demasiado baja, el trabajo para obtener la deformación ha de ser mucho mayor y también se corre el riesgo de producir grietas sobre la pieza. Sin embargo, la temperatura de forja no es una temperatura tan determinada como, por ejemplo, el punto de fusión en la fundición, sino que admite una mayor variación. Al conjunto de temperaturas comprendidas entre la máxima y la mínima a que se puede forjar un material se le da el nombre de intervalo de temperaturas de forja. Tipos de Forja
Forja Flujo Localizado
Flujo completo Presión Constante Prensado
Presión Intermitente Martillo de Caída
Presión Progresiva
Presión Intermitente
Rolado
Martinete
Recalcado
Rosca Rolada
Sujetado Rotatorio
Acuñado
Moleteado
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PRENSADO La forja con prensa emplea una acción lenta de compresión para deformar el metal. En la forja con martinete, gran parte de la energía de impacto se disipa cerca de la superficie del metal y por lo tanto no es posible forjar grandes secciones con martinetes; la lenta acción de la prensa de forjar, por el contrario, penetra completamente a todo el metal. Las prensas de forjar se fabrican en tamaños muy grandes. Durante algún tiempo han sido comunes capacidades de hasta 18.000 toneladas, y estos últimos años han sido puestas en operación prensas de 35.000 y 50.000 toneladas. Muchas piezas forjadas con prensas se completan en solo cierre de las matrices. Las forjas con prensas requieren menos salida que las piezas forjadas con martinete, y tienen por lo tanto mayor exactitud dimensional. ACUÑADO El acuñado, tecnología para obtener cuños y sellos pero más conocida por ser la que fabrica todo tipo de medallas y monedas, es tal vez una de las primeras deformaciones en frío conocidas por el hombre. Este tipo de operaciones se caracterizan por ser deformaciones muy precisas, logradas a través de matrices de alta precisión, teniendo estas una vida útil de varias decenas de miles de ciclos. Por otro lado, el desgaste natural de las matrices y sus pérdidas de ajustes generan progresivas caídas en la calidad del producto acuñado. Esto se nota inclusive en mayor grado al analizar monedas falsas, donde claramente se observan pérdidas de precisión, lo cual indica que se acuñan con cuños que suelen ser de mala calidad. Las aleaciones a deformar, más allá del oro y la plata, suelen ser aleaciones base Ni (típico color plateado) y aleaciones base Cu, tales como en una moneda. El esfuerzo para las operaciones de forja será función de la aleación a acuñar. En la tabla I se observan datos ilustrativos para monedas de oro-Au, plata-Ar, aleaciones base Ni y aleaciones base Cu.
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MARTILLO DE CAÍDA Es el mismo tipo de forja que hace el herrero, pero en la práctica moderna se realiza por medio de un martillo mecánico. Se coloca el metal caliente sobre un yunque y se le golpea repetidamente. El yunque y el martillo son chatos, y el operador obtiene la forma deseada en la pieza, girándola y manipulándola entre golpe y golpe de martillo. Usa también a veces herramientas de formas especiales que coloca entre el martillo y la pieza, para facilitar el forjado de secciones redondas, para hacer agujeros o en cortes. RECALCADO Al recalcar el extremo, o alguna porción central de una barra, se aumenta su diámetro comprimiéndola en longitud. Tal forja se realiza en máquinas recalentadoras. Estas máquinas vienen en gran variedad de tamaño, hasta una que puede forjar una barra de 10 pulgadas de diámetro. En el proceso, estas máquinas operan a través de matrices de forja de recalcado, las que al separarse ligeramente admiten la barra calentada para que se coloque en posición entre ellas, la que posteriormente es recalcada entre la cavidad de la matriz. La separación de las matrices permite luego extraer la pieza recalcada. Las forjas de recalcado se usan para forjar cabezas de bulones, válvulas, acoplamientos, etc. Su uso está limitado por tres reglas: 1) La longitud límite de metal no soportado que puede ser recalentado de un golpe sin un pandeo excesivo, es tres veces el diámetro de la barra. 2) Longitudes de barra mayores de tres veces el diámetro, pueden recalentarse siempre que el diámetro de la cavidad de la matriz no sea mayor de vez y media el diámetro de la barra. 3) Cuando un recalentado requiere usar barras de longitud mayor que tres veces de diámetro, y en el cual es diámetro de recalentado debe ser una y media veces el diámetro de la barra, la longitud del metal no soportado que sobresale de la cara de la matriz no debe exceder el diámetro de la barra.
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ROLADO Ó LAMINADO El rolado es un proceso muy común en la manufactura del acero, consiste en un proceso continuo mediante el cual una lámina sometida a la acción de una serie de rodillos que le proporcionan a la tira de acero una forma específica. La forja de rolado o laminado se usa para obtener secciones determinadas de una barra en bruto, reduciendo el diámetro y aumentado la longitud. Dicha máquina posee rodillo semi cilíndricos con canales, las cuales son levemente excéntricas con respecto del eje de rotación. En la operación, una barra caliente se coloca entre los rodillos mientras estos están en la posición abierta. A medida que los rodillos giran, la barra es apretada progresivamente entre ellos, rodando hacía el operador. Cuando la barra ha salido de la máquina luego de media revolución de los rodillos, el operador le inserta entre otro juego de canaletas para un laminado adicional. Este procedimiento se repite hasta obtener la dimensión deseada. Por este proceso se producen piezas tales como ejes, palancas, hojas de elásticos, etc. MARTINETE La forja con martinetes se usan matrices cerradas. Se une una mitad de la matriz al martillo y la otra al yunque del martinete. Se coloca el metal caliente en la cavidad interior de la matriz y se golpea varias veces con la parte superior. Este martilleo, dentro de la matriz cerrada, hace que el metal fluya en varias direcciones de modo de llenar la cavidad del molde. Cualquier exceso de metal es apretado entre las capas de la matriz en la periferia de la cavidad y eliminado en forma de rebaba. Una vez completada la forja, se quita la rebaba por medio de una matriz recortadora o desbarbadota. Las matrices cerradas y la restricción impuesta al flujo en ciertas direcciones por la forma de la cavidad, hacen que el flujo pueda ser dirigido en las direcciones deseadas y que pueda obtenerse una estructura de fibras conveniente. Además puede colocarse el metal en la lubricación necesaria para prever el módulo más favorable de sección para resistir los esfuerzos aplicados. Estos factores, conjuntamente con la estructura fina de grano y la certeza de que no existen “huecos”, hacen posible obtener relaciones más altas de resistencias peso con forjas que con piezas coladas o maquinadas de un material dado. En la forja con martinete pueden usarse “martinetes a vapor” o “martinete de tabla”, los que se ilustran esquemáticamente en la figura. En este último tipo, el martinete está unido al extremo inferior a una tabla de madera dura. El extremo superior de la misma es agarrado y levantado por dos rodillos conducidos. Cuando los rodillos se apartan por medio del mecanismo de control, se suelta la tabla, permitiendo la caída libre del martinete. Los martinetes de tabla son más económicos que los de vapor y no permiten un control tan preciso, pero son muy adecuados para muchas operaciones de forja. La máquina de forja por impacto, provee una modificación del proceso de forja con martinete.
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Esta forja consiste en dos martinetes horizontales que se mueven simultáneamente y forjan la pieza de trabajo entre ellos. Como la pieza no está apoyada en un yunque, no se pierde ninguna energía en la fundación de la máquina. Además, la máquina opera más silenciosa y con menos vibración.
Entre otros tipos de forja se encuentran: FORJA DE ESTAMPADO En el estampado, el metal es golpeado mientras se confina parcialmente. El estampado en caliente se usa para reducir el diámetro de un tubo o varilla. Generalmente se usa una matriz como mazo de modo que los golpes repetidos hacen que el metal fluya hacia adentro y tome la forma de la matriz. FORJA EN ESTRANGULACIÓN Es el aumento de una sección, con el material de la disminución de una sección contigua.
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4. Materiales Los principales materiales que son metales o aleaciones utilizados en el proceso de Forja son: Aleaciones de Aluminio: El aluminio es un metal ligero con una densidad de 2.70 g/cm3, y por ello, aunque las aleaciones de aluminio tienen características mecánicas relativamente bajas comparadas con las del acero, su relación resistencia-peso es excelente. El aluminio también responde fácilmente a los diferentes mecanismos de endurecimiento, tal como se recoge en la tabla 13.8, donde se observa que el mecanismo más notable es el de endurecimiento por precipitación, donde se consigue una dureza hasta 30 veces superior a la del aluminio puro. Por otra parte, el aluminio no suele presentar un límite de resistencia a la fatiga bien definido, de modo que la fractura puede suceder incluso a niveles muy bajos. Debido a su bajo punto de fusión, el aluminio no se comporta bien a temperaturas elevadas. Finalmente, las aleaciones de aluminio tienen escasa dureza, lo que origina poca resistencia al desgaste abrasivo en ocasiones. Las aleaciones para forja, es decir chapas, láminas, extrusión, varillas y alambres, se clasifican de acuerdo con los elementos que contengan en aleación. Para identificar las aleaciones de aluminio se utiliza una designación numérica de cuatro dígitos, el primero de los cuales indica el grupo de aleación e indicando el segundo los límites de impurezas. Los dos últimos identifican la aleación o indican la pureza del metal. En la tabla 13.9 se recogen los diferentes grupos de aleaciones de aluminio indicándose los principales elementos de aleación de cada uno de ellos. El grado de endurecimiento o tratamiento viene expresado por letras colocadas después del número de su designación, tal como se recoge en la tabla 13.10, por ejemplo aleación 6061-T6.
Tabla 13.8. Propiedades mecánicas y aplicaciones de algunas aleaciones comerciales de aluminio.
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Tabla 13.9 Designación de las diferentes familias de Aluminio
Tabla 13.10. Designaciones del grado de endurecimiento de las aleaciones de aluminio. Las aleaciones de aluminio para forja pueden subdividirse en dos grupos, aquellas que son tratables térmicamente y las que no lo son. Las aleaciones de aluminio para forja no tratables térmicamente no pueden ser endurecidas por precipitación y sólo pueden trabajarse en frío para aumentar su resistencia. Aleaciones de Magnesio: El magnesio es un metal ligero, con una densidad de 1.74 g/cm3, que compite con el aluminio para aplicaciones que requieren metales de baja densidad, a pesar de su mayor precio, alrededor del doble. Sin embargo, el magnesio y sus aleaciones muestran una serie de desventajas que limitan su utilización. Además, resultan aleaciones de difícil colabilidad y que en estado fundido arde en contacto con el aire, y su transformación en frío resulta igualmente difícil al cristalizar el Mg en una estructura hexagonal densa que no favorece precisamente su deformación. No obstante tiene amplias aplicaciones en la ingeniería aeronáutica y aeroespacial.
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Las aleaciones de Mg se dividen fundamentalmente en dos tipos: aleaciones de forja y aleaciones de fundición. En ambos tipos las aleaciones pueden mejorarse mecánicamente por tratamientos de deformación y tratamientos térmicos de envejecimiento. Las aleaciones de fundición suelen incorporar Al y Zn, ya que estos elementos contribuyen a un endurecimiento por solución sólida. La introducción de tierras raras, principalmente cerio, en su composición forma precipitados del tipo Mg9R, que durante la solidificación precipitan en borde de grano formando una fina red frágil. Las aleaciones de forja, incorporan igualmente Al y Zn como principales elementos de aleación, que además de endurecer el material por solución sólida lo hacen por precipitación de compuestos del tipo Mg17Al12 en los tratamientos de envejecimiento de estas aleaciones. El torio y el circonio también forman, con el magnesio, precipitados endurecedores que estabilizan las características de la aleación a elevadas temperaturas, alrededor de los 425°C.
Aleaciones de Cobre: El Cobre es un metal de color rojizo y brillo metálico que se caracteriza por ser uno de los mejores conductores de electricidad (el segundo después de la plata). Debido a su alta conductividad eléctrica, ductilidad y maleabilidad, se ha convertido en el más utilizado para fabricar cables eléctricos y otros componentes electrónicos. Las aleaciones más importantes del cobre son conocidas con el nombre de BRONCE Y LATÓN, que presentan mejores propiedades mecánicas, aunque tienen una conductividad eléctrica menor. Las aleaciones de cobre con estaño se denominan BRONCES. El porcentaje de estaño en estas aleaciones está comprendido entre el 2 y el 22 %. Son de color amarillento y las piezas fundidas de bronce son de mejor calidad que las de LATON pero son más difíciles de mecanizar y más caras. Latón (Aleación de Cobre y Zinc): Es una aleación binaria de cobre y zinc, combinados estos metales en distintas proporciones, que prácticamente oscilan entre los siguientes límites: Cobre de 50 a 75%; y Zinc de 50 a 25 %
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Aceros al carbono y baja aleación: Entre su composición esta: -
Bajo en C (< 0.25%C además de Mn y Cu o Si): blandos, poco resistentes, dúctiles, tenaces, fácil mecanización, soldables y baratos. Aplicaciones en vehículos, vigas, edificios, tuberías, etc. Microestructura: Ferrita + perlita.
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Medio en C (0.25-0.6%C, además Cr, Ni, Mo y otros): más resistentes que los bajo en carbono, menos dúctiles y tenaces, baja templabilidad. Microestructura habitual: martensita revenida.
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Alto en C (0.6-1.4%C aleados con Cr, V, W, Mo): aún más duros y resistentes, menos dúctiles que resto de aceros al carbono. Son especialmente resistentes al desgaste. Aplicación se encuentra las herramientas de corte.
Aceros inoxidables martensíticos: Contienen C (0.08 - 0.60 %), Cr (13 – 17%), Ni (< 2%). Se utilizan en condiciones de temple y revenido a baja temperatura para no reducir excesivamente la dureza. Se logra aumentar simultáneamente la dureza y las características de inoxidabilidad de los aceros martensíticos incrementando conjuntamente el contenido de cromo y carbono. Aceros inoxidables austeníticos: Este grupo contienen níquel además de Cr. Su composición típica contiene un 18%Cr + 8%Ni y un 0.08%C. Predomina en ellos el carácter gammágeno del Ni y son austeníticos a temperatura ambiente. El Ni por otro lado contribuye a mejorar el comportamiento frente a la corrosión pero también aumenta el precio de los aceros. Los aceros austeníticos son los inoxidables más utilizados, corresponden al 50% del total. Aleaciones de tungsteno: El Tungsteno es aplicado en industria aeroespacial para aplicaciones de alta temperatura la que incluye aplicaciones eléctricas, de calefacción y soldadura Las propiedades de Dureza y densidad lo hacen el metal ideal para la fabricación de piezas de metales pesados como el cobre-tungsteno que son utilizadas en armamento, disipadores de calor y aplicaciones de alta densidad. Aleaciones de molibdeno: Tienen una excelente y alta resistencia a la tensión y a la fluencia, estabilidad mecánica a altas temperaturas (hasta 1900 ° C). Su alta ductilidad y dureza proporcionar una mayor tolerancia para las imperfecciones y rotura frágil de la cerámica. Aleaciones de titanio: El titanio es un metal relativamente ligero (densidad de 4.54 g/cm3), altamente reactivo y que presenta una transformación alotrópica de una estructura hexagonal densa a temperatura ambiente a una estructura c.c. (b) a 883°C. El titanio es un metal caro, precisamente por su elevada reactividad, debido a su dificultad de extracción y transformación. A elevadas temperaturas se combina fácilmente con el oxígeno, nitrógeno, hidrógeno, carbono y hierro, por lo que es necesaria la aplicación de técnicas de vacío durante su conformado.
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No obstante su elevada reactividad, el óxido obtenido es muy estable, por lo que puede utilizarse el titanio y sus aleaciones, una vez pasivado, en aplicaciones de resistencia a la corrosión en ambientes agresivos como ambientes marinos y soluciones cloruradas. La resistencia del titanio es muy elevada, 684 MPa para el Ti de pureza 99.0%, por lo que tanto el Ti como sus aleaciones pueden competir favorablemente con las aleaciones de Al para algunas aplicaciones aeroespaciales, a pesar de su mayor precio, alrededor de unas 5.7 veces superior.
Entre otros que son menos comunes se encuentran: Aleaciones de tantalio. Superaleaciones de base hierro. Superaleaciones de base cobalto. Superaleaciones de base níquel. MATERIALES PARA MATRICES Se efectúan a temperaturas elevadas en la mayoría de operaciones de forjado. Los requisitos generales de materiales para matrices son: - Resistencia y tenacidad a altas temperaturas. - Templabilidad y capacidad de endurecimiento uniforme. - Resistencia al impacto mecánico y térmico. - Resistencia al desgaste (en particular a la abrasiva) debido a la presencia de cascarilla en el forjado en caliente. Los materiales más comunes utilizados para matrices son: aceros para herramientas, cromo, níquel, molibdeno y vanadio. NORMAS INTERNACIONALES GENERALES Para acero carbono, acero aleado y aceros inoxidables forjado, aluminio, cobre, titanio, magnesio, molibdeno, titanio. Estándares: ASTM, ASME, Estruendo, SIS, DIN (1700-1788), ANSI, ISO, AFNOR (Francia), Brit Standard BS (Gran Bretaña) y NORMA EUROPEA.
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5. Asociaciones Internacionales España
Consejo del hierro: http://www.consejodelhierro.es/ AFOC. Asociación de Forjadores de Catalunya: http://tallerdeforja.net/ Asociación de Ferreiros de A Fonsagrada. Forjadores de Sueños: https://sites.google.com/site/asociaciondeherreros/
Resto del mundo Revista de forja BABA: http://www.baba.org.uk/ http://www.anvilmag.com www.metall-aktiv.de Asociación Británica De los Herreros Del Artista (British Artist Blacksmiths Association) http://www.buildingconservation.com/directory/ad251.htm Canadá Asociación Artista Herrero de Ontario http://www.ontarioblacksmiths.ca/ Estados Unidos Asociación de herreros de los Appalaches EE.UU. (APPALACCHIAN BLACKSMITHS ASSOCIATIONS) http://www.appaltree.es Artistas del metal de Norteamérica http://www.abana.org/ Artista-Herreros De la Fragua De Kootenay (Kootenay Forge Artist-Blacksmiths Crawford Bay, British) http://www.ohwy.com/bc/k/koofrgab.htm The Guild of Metalsmiths National Association of Metal Finishers (NAMF) Metal Arts Guild Don Barker Artist Blacksmith http://www.donbarker.co.uk/ El Museo Nacional de ornamentales de metal es la única institución en los Estados Unidos dedicada exclusivamente a la preservación y promoción de metal. http://www.metalmuseum.org/ Australia Australian Knifemakers Guiad. http://www.akg.org.au/ Forum artistas del metal. http://www.metalartistforum.com/ Entre otros: Asociación Juvenil Club de Rol La Forja http://www.laforja.net/weblf/ Euroforge (www.euroforge.org) es una federación europea de Asociaciones de Forja con sede en Bruselas y a la que pertenecen: Alemania, Bélgica Francia, Italia, Polonia, Reino Unido, la República Checa, Suecia, y España.
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6. Principales fabricantes de metales forjados México
Forja de Monterrey del Grupo QUIMMCO D’Forja Blacksmith Campis Galería Herrería Mazunte Forja Montecristo Todoacero Forja Zamora Servicios Industriales Sol Ugi Herrería Y Forja Sipco Herrería y Forja Pineda Herrería México TecnoForja Forja Project Forjas SPICER.
Internacionales Shanxi Hengyue Forging Co, Ltd Zhangqiu Yu Bin Petrochemical Fittings Factory Tianjin Tianzhong Giant Heavy Industry Co, Ltd United Manufacturing Industries Company Limited Qingdao JGQ Casting Co, Ltd Changge City High Star Trading Co, Ltd Linyi Zhongkuang Jinding Electrical Manufacturing Co, Ltd Hebei Goldpro Metal Products Co, Ltd Xi'an Tianrui New Material Co, Ltd United Manufacturing Industries Company Limited 705th Research Institute Of China Shipbuilding Industry Corporation High-Tech Company Shijiazhuang Shenfa Handicraft Limited Company Jinan Jinchi Steel Ball Co, Ltd Forja MILANFOR
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7. Diagrama de Flujo del Proceso Materia Prima
Cambio de volumen en estado sólido solamente
Sin cambio de volume en los líquido y sólido
Flujo Líqudo
Deformación Sólida
Forja
Substracción
Adición
8. Maquinaria Existen 2 tipos de maquinaria para el proceso de forja los cuales son: Martillos o martinetes Dentro de una fragua, el martinete es un aparato diseñado para utilizar la energía hidráulica en el trabajo forja. Se trata de un martillo pesado, que cae sobre un yunque dispuesto sobre un bloque de madera o un poyo. El martillo se monta sobre una palanca oscilante alrededor de un eje horizontal. Este martillo es accionado mediante unas levas que giran conducidas por un árbol horizontal que se apoya contra el extremo libre de la palanca a cada vuelta del árbol, y deja caer el martinete, liberándolo. El árbol de levas está accionado por una noria vertical. El funcionamiento es muy irregular, ya que las levas se insertan a menudo en un eje de transmisión o entre dos volantes de inercia muy pesados. Para aumentar el ritmo de trabajo, la magnitud de la desviación del martillo se reduce con amortiguadores rígidos, una viga de madera en los más antiguos (ver grabado), y más tarde con resortes de metal en los modelos más nuevos. Esto aumenta el número de levas. La velocidad de giro se controla mediante la variación de la velocidad de caída del agua que hace girar la rueda.
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Martinete mecánico
Martillos y martinetes
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Esquema de martillo
Prensas
Prensas de forja Mecánicas Hidráulicas Tornillo
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Las prensas de forjado emplean una acción lenta de comprensión de formado el metal plástico, contrariamente al rápido impacto del golpe del martillo. La acción de comprensión es mantenida completamente hasta el centro de la pieza que se está prensando, trabajando a fondo la sección completa. Estas prensan son del tipo vertical y pueden ser operados ya sea mecánica o hidráulicamente. La mayoría de las prensas de forjar son de formas simétricas con superficies que son totalmente lisas, y proporcionan unas tolerancias más cerradas que las obtenidas con un martillo de caída libre. Sin embargo, muchas piezas de formas irregulares y complicadas pueden forjarse más económicamente por forja abierta. Las prensas de forjado se usan frecuentemente para operaciones de calibrados sobre partes hechas por otros procesos.
Esquema de prensa
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9. HERRAMENTAL La forja es el lugar en donde se le aplica calor al metal en la herrería. Aquí se contiene y controla el volumen del fuego necesario para el trabajo. Las herramientas que usan son: Yunque grande: Se emplea para golpear el hierro caliente sobre él. Su superficie es de acero endurecido. El yunque tiene diversos usos. 1. Para doblar en ángulo recto. 2. Para aplastar, cortar, etc. 3. Para curvar. 4. Para recalcar la pieza. 5. Para colocar bigornias de mano, contraestampas, etc. 6. El ojo redondo es para operaciones de punzonado. De esta manera el punzón tiene salida por la parte inferior, introduciéndose en el agujero. 7. El cepo o base del yunque es un tronco de madera o un bloque de hormigón. El yunque está sujeto sobre él por medio de grapas.
POSICIÓN DEL OPERARIO La forma correcta de colocarse frente al yunque es poniendo un pie paralelo a aquél y el otro formando ángulo recto. Normalmente, el pie derecho es el que se pone debajo de la cola cuadrada. Las diversas partes que componen al yunque son:
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Tenazas: Son usadas para asir el metal incandescente. Varían en un rango de formas y tamaños. Los moldes son instrumentos para dar forma al metal. Éstos se calientan de modo talque el metal se derrite y sale a través de aberturas previamente marcadas en el molde. Por esos orificios se introduce el metal fundido de forma que cuando se enfría y se rompe el molde se reproduce la forma deseada en el metal.
Porra o martillo de acero. Guantes de cuero. Mandil de cuero. Recipientes para el agua o el aceite en caso de laborar trabajos de templado austeníticos o martensiticos.
Fragua: Es una herramienta que consta de un recipiente donde se coloca el carbón (de hulla, o carbón de piedra, osea el carbón natural, no de madera aunque este si es de madera dura también sirve), una manivela conectada a unas paletas (tipo aspas) dentro de una pieza de chapa que al girar la manivela se envía aire controlado para que el carbón se encienda y/o se avive para poder ablandar el hierro que queremos trabajar que irá directamente sobre el carbón encendido.
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TIPOS DE FRAGUA 1) Fragua del carbón/del coque/del carbón de leña: Una fragua que utiliza típicamente bituminoso carbón, industrial coque o carbón de leña como el combustible para calentar el metal. Los diseños de estas fraguas han variado en un cierto plazo, pero si el combustible es carbón, el coque o el carbón de leña el diseño básico ha seguido siendo igual. Una fragua de este tipo es esencialmente a hogar o chimenea, diseñó permitir que un fuego sea controlado tales que el metal introducido al fuego puede ser traído a un estado maleable o traer alrededor de otros efectos metalúrgicos. El fuego de la fragua en este tipo de fragua se controla de tres maneras: a) Cantidad de aire. b) Volúmenes de combustible. c) Forma del combustible/del fuego. Estos dispositivos se han desarrollado en una forma u otra como las características esenciales de este tipo de fragua: - Tobera: Una pipa a través de la cual el aire puede ser forzado en el fuego - Bramido o soplador: Medios para forzar el aire en la tobera - Firepot u hogar: Un lugar sobre donde el combustible ardiente se puede contener o contra la abertura de la tobera. Durante la operación, el combustible se pone en el hogar y se enciende. Una fuente del aire móvil, tal como a ventilador o bramido, introduce el aire adicional en el fuego a través de la tobera. Con aire adicional, el fuego consume más combustible y las quemaduras hotter. A herrero balancea el combustible y el aire en el fuego para satisfacer clases particulares de trabajo. Esto implica a menudo el ajustar y el mantener de la forma del fuego. 2) Fragua de gas: Aplicaciones de una fragua típicamente propano o gas natural como el combustible. Uno común, diseño eficiente utiliza unos compartimientos cilíndricos de la fragua y un tubo de la hornilla montados en un ángulo recto del cuerpo. El compartimiento se alinea típicamente con refractario materiales, preferiblemente un castable duro refractario de cerámica. La hornilla mezcla el combustible y el aire que se encienden en la extremidad, que resalta una manera corta en la guarnición del compartimiento. La presión de aire, y por lo tanto el calor, se pueden aumentar con un soplador mecánico o en aprovecharse el Efecto del Venturi. Las fraguas de gas varían de tamaño y la construcción, de fraguas grandes usando una hornilla grande con un soplador o varias hornillas atmosféricas. Cinceles: Se hacen del acero alto del petróleo que sección representativa es octágono. Se endurecen y se templan en el filo mientras que la cabeza se deja suavidad así que no se agrietará cuando está martillada. Los cinceles están de dos tipos, de los cinceles calientes y fríos. El cincel caliente se utiliza para los metales fríos del corte mientras que el cincel caliente está para los metales calientes.
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Los cinceles calientes son más finos y por lo tanto no se pueden generalmente sustituir con el cincel caliente. Pinzas son utilizadas por el herrero para sostener los metales calientes con seguridad. Las bocas se hacen en varias formas para satisfacer agarrar de varias formas de metal. Dados para forja: Se dividen en dos tipos: Dados Abiertos: Simples, baratos, útiles para pequeñas cantidades, amplia variedad de tamaños y con buena resistencia. Dados cerrados: Tiene un mejor aprovechamiento del material, con mejores propiedades que los dados abiertos, buena precisión dimensional, alta velocidad de producción y buen acabado.
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10.
Herramientas
Tenaza de forja La tenaza es una herramienta muy antigua que se utiliza para extraer clavos, cortar alambre u otros elementos entre otras funciones como el proceso de forja, está hecho de acero, para que se pueda adaptar de acuerdo al criterio de aquel que la emplea. Una variedad es la tenaza extensible, también conocida como pico de loro o pinza pico de loro, de creación mucho más reciente. Tiene gran versatilidad de funciones, pudiendo sujetar elementos de diferentes grosores, a diferencia de la tenaza normal cuya apertura se fija y alcanza una medida de abertura que la hace más limitada en este aspecto. Otro tipo de tenaza es la precintadora. Los precintos de plomo o plástico aplicados mediante las tenazas de precintar son la manera más habitual de precintar productos. Tenazas para anillos
Tipos de tenazas
Martillos de forja Los martillos de forja consisten en una maza que cae golpeando sobre un yunque (llamado chabota). Su uso se centra en los procesos de fabricación de piezas por forja. Gran parte de la fuerza se transmite al yunque y repercute en el terreno: vibraciones.
Se hace el yunque con una masa muy grande en comparación con el martillo. Se coloca el yunque sobre elementos absorbentes de vibraciones. Página 25
Los martillos deben cumplir las condiciones siguientes:
Poder regular la fuerza del golpe. Poder regular la cadencia de golpeo. Transmitir el mínimo de vibraciones.
Forja al aire por impacto La masa no está estable sobre el yunque sino entre las masas móviles de dos martillos iguales de aire comprimido y eje horizontal. Las ventajas de la forja al aire son:
La pieza es trabajada por ambas caras (mayor uniformidad). Menor tiempo de contacto con las estampas (menos enfriamiento). La energía de las masas en movimiento es absorbida por el trabajo de deformación (menos transmisión de vibraciones).
Martillo de forja
Trabajo suministrado por el martillo Suponiendo un martillo de caída libre: E=P.h.µ Dónde: E es la energía de la maza. P es el peso de la maza. h es la altura de caída. µ es el rendimiento del martillo. Si el martillo no es de caída libre, tendremos que sumar la fuerza producida por el vapor, aire comprimido, etc.: E = (P+F) . h . µ Donde (en caso de martillos de vapor o aire comprimido): F = p . s es el producto de la presión p y la superficie del embolo s. El trabajo necesario para la deformación de la pieza será: T=σ.S.e Dónde: σ es la resistencia a la deformación del material. S es la superficie inicial de la pieza e es la deformación. Por tanto, la deformación conseguida en un golpe será: E = T ; P . h . µ = σ . S . e ; e= (P .h .µ)/(σ .S) Si tenemos en cuenta la variación progresiva del material: T= ∫〖Q .de〗 ; Q= σ .S ; S= V/e Dónde: Q es la fuerza necesaria. de es el elemento de camino recorrido. σ es la resistencia a la deformación del material. S es la sección resistente de la pieza. V es el volumen de deformación. e es la altura de la pieza. T= ∫〖σ . V/e〗 .de= σ .V .∫de/e= σ .V .ln(e0/e1) Página 26
La energía suministrada por el martillo debe ser mayor o igual que la necesaria para obtener la deformación total de la pieza: Dónde: n es el número de golpes de martillo. Por lo tanto, en el caso de martillo de caída libre: n ≥ (σ .V)/(P .h .µ) . ln(e0/e1)
11. CONTROL DE CALIDAD En la forja, lo que más influye en la calidad son las características mecánicas del producto. La dureza es una propiedad esencial, ya que influye mucho en la resistencia, la estabilidad, y la resistencia al desgaste. Una dureza insuficiente hace que con frecuencia el producto resulte inaceptable, y se considera, por lo tanto, un grave defecto. Para conseguir la dureza y otras propiedades mecánicas hace falta material de características metalúrgicas correctas, correctamente procesado para evitar las contaminaciones externas, y con un termotratamiento apropiado. Entre los defectos superficiales se cuentan las grietas, las inclusiones, las secciones transversales imperfectas, y las rebabas excesivas. Defectos internos son la segregación metalúrgica, las cavidades, el tamaño anormal del grano, y la corrosión interangular. La exactitud dimensional no tiene demasiada importancia en la forja, a menos que repercuta sobre la resistencia del producto. El factor principal del control dimensional es la precisión del troquel, que se convierte, por tanto, en el sujeto del control dimensional.
CONTROL DEL PROCESO El operario de producción es responsable de la preparación para que el producto que proporcione sea bueno. De acuerdo con las normas operativas, el operario comprueba la existencia de diversos defectos. En el caso del control dimensional anota los datos en gráficas de control X y R convencionales. El operario es responsable de actuar en caso de que el proceso salga fuera de los límites de control, así como de apreciar la duración de la vida útil de los troqueles. En el taller de tratamientos térmicos el operario lleva a cabo un trabajo similar. Comprueba la dureza, y utiliza esos datos para el ajuste de las temperaturas de temple y revenido, con la ayuda de una hoja de registro de datos y de la gráfica de control convencional. Los operarios también son responsables de la comprobación de los defectos internos y superficiales del producto. Estas inspecciones hacen necesaria una formación especial de esos operarios. Un verificador (Departamento de producción), recorre los talleres de forja y de tratamientos térmicos, comprobando los productos de acuerdo con una ficha de verificación previamente planificada, y facilitando la información resultante a los operarios y capataces de producción.
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El departamento de inspección es el responsable de verificar las características finales del producto. En la actualidad hay comprobadores de dureza automatizados con los que es posible determinar la dureza de todos los productos. Los defectos superficiales se verifican frecuentemente con comprobadores magnaflux fluorescentes. Para la interpretación uniforme de estas pruebas deberán establecerse normas sobre las condiciones de ensayo, es decir, dirección del magnetismo, corriente magnetizante, densidad del líquido magnético, etc. Debido al alto grado de control a cargo del propio operario de producción debe haber un completo intercambio informativo con la inspección. Además deben prepararse evaluaciones de los resultados para los equipos de departamentos de producción.
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12.
Seguridad Industrial
RIESGOS EXISTENTES Y MEDIDAS PREVENTIVAS Una vez conocida brevemente la tecnología del proceso de forja, se pueden señalar una serie de riesgos de tipo general coincidentes con los de los procesos de conformación por fundición, y procedentes de:
Contacto con piezas calientes Manutención manual y mecánica Abundancia de mano de obra poco cualificada Energía utilizada (eléctrica, hidráulica, etc.)
En cuanto a los riesgos específicos podemos señalar: a) Proyección de partículas Etapas: Forja manual o mecánica Tipo de lesión: Heridas múltiples y especialmente en ojos Medidas preventivas: - Encerramiento del proceso. - Separación de zonas - Extracción localizada - Protección personal (pantallas, gafas, etc.) b) Atrapamientos Etapas: forja manual o mecánica Tipo de lesión: heridas, amputaciones,… Medidas preventivas: - Sistemas de seguridad por doble mando. - Automatización - Sistemas de enclavamiento - Protección personal y formación adecuada c) Manipulación de piezas calientes Etapas: todo el proceso (hornos, forja, manipuladores, robots, etc.,). Tipo de lesión: quemaduras en manos y múltiples Medidas preventivas: - Técnica correcta de manipulación de piezas - Utilización de medios de manutención adecuados - Protección personal - Acotación de áreas de accionamiento d) Manipulación de piezas acabadas o preformas Etapas: todo el proceso Tipo de lesión: heridas, lumbalgias, etc. Medidas preventivas: - Correcta manutención manual y mecánica - Señalización e iluminación adecuadas - Orden y limpieza - Protección personal
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Control Ambiental
El EPS, también conocido como corcho blanco, es un componente 100% reciclable. De hecho, este tipo de material ha demostrado mayor versatilidad que cualquier otro a la hora de adaptarse a los métodos de recuperación energética, reducción, reutilización y reciclado. Por eso los beneficios que aporta a la industria, a los consumidores y a la sociedad en general no se acaban cuando la vida útil del producto llega a su fin, sino que continúan, al recuperarse de ellos la energía que contienen mejorando así nuestra calidad de vida y favoreciendo la regeneración de nuestro entorno natural. Pero el principal valor ecológico del EPS en sus aplicaciones en la construcción está marcado sin duda por su alta capacidad como aislante térmico, y su elevado índice de ahorro energético, lo que permite introducir todas las exigencias de una optimización energética en la edificación, ahorrando una gran cantidad de recursos de energía y favoreciendo el respeto al medio ambiente.
Sus principales ventajas son: La fabricación y utilización de poliestireno no supone ningún riesgo para la salud de las personas ni para el medio ambiente. El EPS no perjudica la capa de ozono por el hecho de no utilizar nunca, en su proceso de fabricación, ningún componente de la familia de los CFCs, HCFCs, ni componentes organocloratos. El proceso de transformación es limpio, consume poca energía y no genera ningún residuo. Su utilización como aislante térmico en la construcción supone un ahorro importantísimo de energía en la climatización de edificios, contribuyendo de esta manera a paliar "el efecto invernadero" y "la lluvia ácida". Los envases y embalajes de EPS ahorran combustible en el transporte, ya que es un material ligero. El EPS por ser un material insoluble al agua no emite sustancias hidrosolubles que puedan contaminar las aguas subterráneas. La incidencia del EPS en relación con el conjunto de residuos sólidos urbanos que genera nuestra sociedad es mínima (0,1%).
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14.
Bibliografía
Páginas web: http://www.sepi.upiicsa.ipn.mx/sab/ProcManuf/UMD/Unidad3/Contenido/3.1.b.htm http://www.slideshare.net/sena181309/procesos-de-manufactura-8673040 http://www.slideshare.net/guestb68604/forja http://www.forlisa.es/ES/reciclado_001.html http://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm13/fcm13_4.html http://www.entradas.zonaingenieria.com/2012/05/clasificacion-de-los-aceros.html
Libros: 1) Materiales y procesos de manufactura para ingenieros Lawrence Doyle Prentice – Hall Hispanoamericana S.A. 2) Materiales y procesos de fabricación, Industria Metalmecánica y de plásticos Harry. D Moore/Donald R. Kibbey LIMUSA
3) Manual de control de la calidad Vol. 2 J.M. Juran\Franc M. Gryna, Jr.\R.S. Bingham, Jr. 4) Seguridad e higiene del trabajo, Técnicas de prevención de riesgos laborales José María Cortés Díaz.
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