UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE INGENIERÍA LABORATORIO DE MODELADO PROCESO DE MANUFACTURA TEMA: FORJA PROFESOR: RAMIREZ DIAZ EDGAR ISSAC M.I. ALUMNO: GARCÍA CHAVÉZ FRANCISCO GRUPO: 2 FECHA DE ENTREGA: 07/FEBRERO/2011
FORJA El proceso de forja consiste en comprimir el metal de trabajo entre 2 dados, usando impacto o presión gradual, este proceso se remonta hasta la antigüedad y se utilizaban para fabricar monedas, joyería, espadas y otras cosas. En la actualidad es un proceso bastante utilizado en la industria debido a la alta resistencia que adquieren las piezas y se utilizan en automóviles, naves espaciales, fechas, engranes y otras cosas. Este proceso puede llevarse acabo a temperaturas elevadas conocida como llamada forjado en caliente; con esto se reduce la resistencia del material y se aumenta su ductilidad, es muy utilizado en la industria, o a temperatura ambiente también llamada forja en frio; la fuerza utilizada es mayor, pero se obtienen piezas con mayor resistencia, un buen acabado superficial y con mejor precisión. Este proceso puede clasificarse en: Forja de dado abierto Forja de dado cerrado Forja sin rebaba Forja en dado abierto: Es el procesos mas simple, también conocida como recalcado o forja para recalcar. Consiste en comprimir una el material entre 2 dados planos, muy parecido al ensayo de compresión, esto reduce su altura y aumenta su diámetro. Si el forjado se lleva a cabo en condiciones ideales, sin fricción entre la superficie del dado y del trabajo, ocurre una deformación homogénea y el flujo radial de materia es uniforme, el esfuerzo real que experimenta el material durante el proceso, puede determinarse con
donde
h0
ln
h0 h
altura _ inicial
h altura _ int ermedia , ambas en mm o pulgadas(in)
al final de la carrera de compresión h alcanza su valor máximo y el esfuerzo real es máximo. Se puede estimar la fuerza para realizar el recalcado, para obtener la fuerza hay que multiplicar el área transversal de la sección por el esfuerzo de fluencia: F Y f A
donde
F fuerza N olb 2
A area in o mm Y f
2
esfuerzo de fluencia correspondiente al esfuerzo real
lb
in 2
En el proceso real hay un efecto de abultamiento, debido a la fricción entre los dados y el trabajo, este efecto se llama abarrilamiento. Cuando se trabajo en caliente con dados fríos este efecto es mas pronunciado, debido a un coeficiente de fricción alto típico de los trabajos en caliente y a la transferencia de calor de la pieza con su entorno. Podemos aplicar un factor de forma a la ecuación anterior para aproximar los efectos de de la fricción y la relación entre el diámetro y el altura: F K f Y f A
donde
K f
factor de forma definido como:
K f
donde
coeficiente
1
de fricción.
0.4 D
h
Forja en dado cerrado: para este tipo de forja los dados tienen la forma inversa de la
requerida. Al cerrarse el dado y llegar a su posición final , el metal fluye mas haya de la cavidad del dado y forma una pequeña rebaba . Aunque se recorta después, es muy importante ya que la fricción en la rebaba incrementa la fricción en el interior del dado lo cual hace que se llene mas fácilmente el dado, sobre todo las partes mas complicadas. Este proceso se realiza en caliente y con frecuencia se requieren mas de un solo paso para el forjado en frio. Debido a la formación de rebaba y formas mas complejas el análisis es mas complicado y con frecuencia se utilizan fórmulas y factores de diseño relativamente simples para calcular fuerza requerida en este proceso, la formula es igual a la del dado abierto pero con diferente interpretación. F K f Y f A
donde
F fuerza N olb A area _ proyectada _ considerando _ la _ rebaba in 2 o mm 2 Y f
esfuerzo de fluencia correspondiente al esfuerzo real
En la siguiente tabla se muestra los valores de
Y f para
lb
in 2
diferentes formas:
El forjado con dado cerrado no tiene tolerancias estrechas y frecuentemente se requiere el maquilado para lograr la precisión necesaria y sus ventajas sobre el maquilado completo son: alta velocidad de producción, conservación del metal, mayor resistencia y orientación mas favorable de los granos del metal. Forja sin rebaba: es una variante del forjado con dado cerrado, la diferencia radica en que
no hay rebaba. Para este proceso el volumen de material de trabajo debe ser igual al
volumen del dado, si se pasa puede provocar daños a la presa o al dado y se es menor no hay un llenado completo de dado, este tipo de forjado produce pieza precisas pero simétricas y de geometría sencilla y la fuerza necesaria para este proceso es calculada con las mismas ecuación que la forja de dado abierto. MAQUINAS HERRAMIENTAS UTILIZADAS EN LA FORJA Los maquinas empleadas en la deformación plástica de los metales se pueden dividir en dos grupos: los que trabajan por impacto (martinetes o martillos) y las que trabajan por presión (prensas). Algunos de las maquinas se describen a continuación: Martillo:
Su función es conformar el metal caliente en una forma deseada, mediante golpes producidos por la caída de un ariete, es decir, imparte esfuerzos sobre el material por impacto.
Martillo de caída libre, elevado por tablas o correas: Consta,
para el primer caso, de una tabla unida al ariete y colocada entre dos rodillos, uno de los cuales está girando impulsado por un motor y un volante. Cuando el ariete golpea la pieza, llegando a su punto más bajo, el rodillo inmóvil prensa la tabla contra el móvil que por fricción eleva está a su posición superior. Al llegar a esta posición los rodillos se abren y una grapa se cierra, deteniendo la tabla hasta que se accione un pedal y la deja caer de nuevo. La fuerza del impacto depende completamente del peso del ariete; los pesos más utilizados van de 227 a 2720 Kg. Estos martillos tienen un peso de caída de 200 a 5000Kg; las medidas estándar fluctúan entre 500 y 2500 Kg, en incrementos de 250 y 500 Kg. La altura de caída del ariete varia con la medida del martillo, cambiando de 870 mm para un martillo de 200 Kg hasta cerca de 1900 mm para uno de 3750 Kg. La altura de caída y, por consiguiente, la fuerza del golpe del martillo, es aproximadamente constante para cierto trabajo y no puede alterarse sin parar la máquina y ajustar la longitud de caída.
Martillo de caída libre, elevado neumáticamente: Es
un martillo moderno, el cual deriva su fuerza de impacto de un martinete de caída libre. Sin embargo, se eleva mediante un cilindro de aire. Esto hace posible que la carrera sea rápida, solo necesita mantenimiento en algunas de sus partes y permite seleccionar la longitud de carrera. Los martillos neumáticos pueden realizar de 50 a 75 carreras por minuto, dependiendo de su tamaño.
Martillos de caída de potencia o caída activada: En estos martillos la energía de golpe es la
suma de la energía proporcionada por el peso del ariete o pilón, más la energía que se imprime a este por algún medio. Se clasifican en martillos de doble efecto y de contragolpe. Martillos de caída activada de doble efecto.
Son el tipo de máquina de uso general para la producción de forjas de matriz cerrada por impacto. Consiste de una base pesada que soporta los dos miembros del bastidor o armazón que guían con precisión el movimiento del ariete; el armazón soporta también un cilindro de aire que a través de un pistón y vástago, activa el ariete. En la cara inferior del ariete va situado el dado superior. El dado inferior está sujeto a la base o yunque que se encuentra firmemente acuñado a la misma. El movimiento del pistón se controla mediante una válvula que admite aire a la parte superior
o inferior del pistón. Esta válvula se controla con un pedal o una palanca de mano. Los pesos para estos martillos son comunes entre los 300 y 1600 kg, y ocasionalmente llegan hasta 25000 kg. Un martillo de 25000 kg posee una base de acero cuyo peso alcanza el medio millón de kilogramos. El ariete, el pistón y su vástago tendrán un peso agregado de 20000 kg aproximadamente. La velocidad del pistón durante la bajada sobrepasa en ocasiones los 7.5 m/s. Aunque estos martillos son muy útiles, disipan en la base y los cimientos de un 15 a un 25% de la energía cinética desarrollada en el ariete. Martillos de caída activada de contragolpe:
Desarrollan la fuerza de golpe por el movimiento de dos arietes, que simultáneamente se acercan en direcciones opuestas y se encuentran en el centro. Estos martillos admiten vapor en un cilindro superior que acciona hacia abajo el ariete, al mismo tiempo los pistones conectados al ariete superior actúan a través de un sistema hidráulico para que el ariete inferior suba. Los arietes del martillo de contragolpe son capaces de dar golpes repetitivos comparándolos con martillos de acción simple, la vibración de impacto se reduce y la energía total de cada golpe se libera en la pieza sin pérdidas. Prensas para forjar : Funcionan
en posición vertical al igual que el martinete, pero en lugar de impacto, imparten presión sobre la pieza. Generalmente tienen una maza o carro que se mueve en dirección vertical para presionar la pieza y llevar a cabo la deformación en contraste con los martillos, cuya característica es el golpe repetitivo. A diferencia de los martillos, la energía es absorbida por la pieza de trabajo en un porcentaje mucho mayor, y las pérdidas se distribuyen por el bastidor en lugar de ir a la cimentación. Las más utilizadas tienen un peso que va desde 300 a 6000 ton, son impulsados tanto mecánica como hidráulicamente. Prensas mecánica: Constan
de un bastidor o armazón que contiene en su base la fijación a los cimientos, y el asiento del lado inferior. En la parte superior está el mecanismo impulsor dependiendo del tipo de máquina. Prensas mecánicas excéntricas:
El impulso en la mayoría de estas máquinas, se basa en el mecanismo biela-manivela que transfiere movimiento circular en reciprocante, como en el motor de combustión interna. Un volante acumula energía que se usa solo durante una pequeña parte de la revolución del eje excéntrico, es decir, durante la deformación. Prensas hidráulicas: Ya que la carga máxima se tiene durante el golpe, existe gran cantidad
de energía para la deformación, por lo que las prensas hidráulicas son ideales para procesos como extrusión de tubos o barras que requieren una carga casi constante por un largo periodo. La carga máxima puede ser limitada para proteger la herramienta. En este caso, no es posible exceder este límite de carga, ya que la válvula de presión controla la presión del fluido actuando sobre el ariete. La velocidad del ariete puede variarse continuamente según se quiera durante el ciclo de golpeo. Prensas hidráulicas de impulso directo:
Contienen aceite como medio de trabajo. El ariete superior cae por gravedad y el aceite es trasladado del tanque hacia el cilindro de la maza a través de la succión de esta caída libre, en prensas horizontales la maza se mueve con poca presión. En contacto con la pieza, la bomba sube la presión en el cilindro de la maza.
Cuando la maza superior alcanza una posición determinada, o cuando la presión llega a un límite preestablecido, el fluido es liberado y retorna a la maza. Prensas hidráulicas de impulso acumulado:
Normalmente tienen una emulsión de agua con aceite como medio de trabajo, usan acumuladores cargados de nitrógeno o aire para mantener el medio bajo presión. La secuencia de operaciones es similar a la de impulso directo, excepto que la presión se eleva por medio de los acumuladores. El margen de penetración no depende directamente de las características de la bomba y puede variar dependiendo de la presión del acumulador, de la compresibilidad del medio y de la resistencia a la deformación de la pieza. Hacia el final del golpe, la carga disponible de la maza disminuye porque el medio de trabajo se expande conforme la deformación progresa. Prensas electro-oleohidráulicas:
Sus características principales son: El bastidor de la prensa, compuesto de tablero, montantes y cabezal está unido en forma de marco rígido, mediante tirantes pretensados. El cabezal sirve a la vez como depósitos de aceite, además todo el accionamiento hidráulico se halla por completo montado en él. La maza de la prensa se acciona por medio de una bomba de émbolo acial, con dirección de caudal variable o constante. Prensas mecánicas de tornillo:
Al igual que los martillos y las prensas excéntricas, son máquinas ampliamente usadas en la industria de la forja. Se descomponen de un armazón de una sola pieza de acero fundido, que en su parte superior lleva un eje horizontal que contiene las ruedas de fricción accionadas por un motor eléctrico. Perpendicularmente a las ruedas de fricción se encuentra localizado el volante de acero fundido, conectado a las mismas por un sistema de embrague controlado por un servomotor. Cuando se accionan los controles, la rueda de fricción acelera el volante que tiene conectado a su vez el tornillo, fabricado de acero al molibdeno. El tornillo tiene acoplado en su parte inferior la maza que se acelera conforme va bajando, mientras que la energía cinética del volante continúa incrementándose. Cuando la maza golpea la pieza, la carga necesaria de forjado se refuerza y se transmite a través de ésta, el tornillo y el yunque, a la armazón de la prensa. Cuando toda la energía acumulada en el volante se ha usado en deformar la pieza y en deformaciones elásticas de la máquina, las piezas móviles se paran. En este momento, o un instante antes, el servomotor activa el eje horizontal y presiona la otra rueda de fricción contra el volante, que junto con el tornillo se aceleran en dirección inversa y la maza es subida hasta su posición superior, terminándose así el ciclo. DADOS DE FORJA El diseño de los dados abiertos es trivial ya que tiene formas relativamente simples, pero para los dados cerrados se debe considerar algunos principios y limitaciones en su diseño: Línea de separación.- Es el plano que separa la parte superior e inferior del dado y es donde la línea de rebaba se encuentra con las 2 mitades. Su mala elección puede afectar el flujo de los granas de la pieza, la carga requerida y la formación de rebaba. Ahusamiento(ángulo de salida).- Es el grado de inclinación requerido para poder retirar la pieza del dado . los ángulos típicos de salida son 3° para el aluminio y el magnesio, de 5° a 7°para partes de acero y para forja de precisión son cercanos cero.
Membranas y costillas.- Es una porción delgada del forjado que es paralela a la línea de separación, mientras que la costilla es una porción delgada perpendicular a la línea de separación. Estas características producen dificultades en el flujo del material al adelgazarse. Filetes y radios en las esquinas.- Los radios pequeños tienden a limitar el flujo del material e incrementar la resistencia en la superficie del dado durante el forjado. Rebaba.-Causa una acumulación del al presión en el dado y que promueve el llenado de la cavidad.
MATERIALES QUE SE UTILIZAN EN EL HERRAMENTAL Y COMO MATERIA PRIMA PARA EL PROCESO DE FORJA La forja es adaptable a aceros aleados y al carbono, hierro dulce, cobre, aleaciones ligeras, aleaciones de aluminio y aleaciones de magnesio. LUBRICACIÓN Un lubricante se requiere cuando los dados presentan gran rugosidad, para éste tipo de defectos se requiere de un lubricante sólido y por lo general con un acabado altamente pulido para que el trabajo en frio con lubricantes líquidos o de tipo de jabón. DEFECTOS DEL PROCESO DE FORJA Algunas de las desventajas del proceso de forja son:
Las inclusiones de escamas en el material, las cuales en algunos de los procesos deben limpiarse por medio de una inmersión en ácido, granallado o con arena dependiendo del tamaño y composición de la pieza Deformación durante el forjado, en el cual se plantearía una operación de enderezado. Usualmente se procura un enfriamiento controlado para piezas de gran tamaño o algún tratamiento térmico para darle las propiedades requeridas a la pieza. Los elevados costos de los dados lo cual hacen a éste proceso difícil de llevar a cabo para trabajos de piezas de pequeña serie debido a la alta inversión. RESUMEN Diseño de estampas para forja.
El diseño adecuado del herramental de forja no solo influye en la obtención de piezas sanas, sino en el mantenimiento y la vida útil, además el los costos de las piezas finales ya que el proceso representa en costo del 50%, por lo cual un el diseño correcto es fundamental, ya que si es incorrecto esto puede ocasionar fracturas o malformaciones de las piezas. En el forjado no solo la geometría de la pieza es importante son también sus propiedades mecánicas, por ejemplo en el caso de una biela la cual esta sometida a esfuerzos dinámicos,
aun se puede hacer por fundición o metalurgia de polvos, aunque el forjado es le procesos mas utilizados. Para el diseño es importante que el diseñador pueda imaginar el flujo del material, pero el uso de paqueterías de elemento finito (como ABAQUS) es de vital importancia para el diseño. Para el ejemplo anteriormente mencionado, se requieren 3 procesos de forjado, estos procesos son: el recalcado, bloqueo y acabado. Los 2 primeros procesos son iguales y solo ayudan a dar una preforma ala biela, pero en el tercer proceso que consiste en un estampado. En este caso el diseño se enfocara a la rebaba, ya que esta juega un papel importante en el llenado de la cavidad formando un dique y haciendo que el material plástico no fluya fuera, maximizando la cantidad de material a utilizar, sobre todo basándose en el espesor del cordón de rebaba. En la simulaciones realizadas en ABAQUS se utilizaron espesores para el cordón de 1, 2 y 3 milímetros y se encontró que para los valores de1 y 2 milímetros el esfuerzo en la rebaba presentaba el mayor esfuerzo, el cual era benéfico para la pieza, mientras que el de 3 milímetros el esfuerzo era menos y no cumplía su propósito de funcionar como dique, por lo cual el espesor a usar es el de 2 milímetros ya es que presenta el mejor esfuerzo en la rebaba con en la cavidad. BIBLIOGRAFIA Manufactura, ingeniería y tecnología. 5ed.; 2008; Serope Kalpakjian, Steven R. Schmid; 371 - 392. DISEÑO DE ESTAMPAS PARA FORJA; MEMORIAS DEL 14 CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIN; 17 al 19 DE SEPTIEMBRE, 2008 PUEBLA, MÉXICO ; Leonardo Estrada Díaz, Armando Ortiz Prado, Edgar Isaac Ramírez Díaz.