Historia de forja Forja, proceso de modelado del hierro y otros materiales maleables golpeándolos o troquelándolos después de hacerlos dúctiles mediante aplicación de calor. Las técnicas de forjado son útiles para trabajar el metal porque permiten darle la forma deseada y además mejoran la estructura del mismo, sobre todo porque refinan su tamaño de grano. l metal forjado es más fuerte y dúctil que el metal fundido y muestra una mayor resistencia a la fatiga y el impacto. !o se conoce con e"actitud la fecha en que se descubrió la técnica de fundir mineral de hierro para producir un metal susceptible de ser utili#ado. Los primeros utensilios de hierro descubiertos por los arqueólogos en gipto datan del año $%%% a.&., y se sabe que antes de esa época se empleaban adornos de hierro. Los griegos ya conoc'an hacia el (%%% a.&. la técnica, de cierta complejidad, para endurecer armas de hierro mediante tratamiento térmico. Las aleaciones producidas por los primeros artesanos del hierro se clasificar'an en la actualidad como hierro forjado. )ara producir esas aleaciones se calentaba una masa de mineral de hierro y carbón *egetal en un horno o forja con tiro for#ado. se tratamiento reduc'a el mineral a una masa esponjosa de hierro metálico llena de una escoria formada por impure#as metálicas y ceni#as de carbón *egetal. sta esponja de hierro se retiraba mientras permanec'a incandescente y se golpeaba con pesados martillos para e"pulsar la escoria y soldar y consolidar el hierro. l hierro producido en esas condiciones sol'a contener un $+ de part'culas de escoria y un %,(+ de otras impure#as. n ocasiones esta técnica de fabricación produc'a accidentalmente auténtico acero en lugar de hierro forjado. Los artesanos del hierro aprendieron a fabricar acero calentando hierro forjado y carbón *egetal en recipientes de arcilla durante *arios d'as, con lo que el hierro absorb'a suficiente carbono para con*ertirse en acero auténtico. espués del siglo -/ se aumentó el tamaño de los hornos utili#ados para la fundición y se incrementó el tiro para for#ar el paso de los gases de combustión por la carga o me#cla de materias primas. n estos hornos de mayor tamaño el mineral de hierro de la parte superior del horno se reduc'a a hierro metálico y a continuación absorb'a más carbono como resultado de los gases que lo atra*esaban. l producto de estos hornos era el llamado arrabio, una aleación que funde a una temperatura menor que el acero o el hierro forjado. l arrabio se refinaba después para fabricar acero. La producción moderna de acero emplea altos hornos que son modelos perfeccionados de los usados antiguamente. l proceso de refinado del arrabio mediante chorros de aire se debe al in*entor británico 0enry 1essemer, que en (233 desarrolló el horno o con*ertidor que lle*a su nombre.
Forja manual La forja manual es la forma más sencilla de forjado y es uno de los primeros métodos con que se trabajó el metal. )rimero, el metal se calienta al rojo *i*o en el fuego de una fragua, y después se golpea sobre un yunque para darle forma con grandes martillos denominados machos de fragua. 4sta es un hogar abierto construido con una sustancia refractaria y duradera, como ladrillo refractario, y dotado de una serie de aberturas por las que se fuer#a el aire mediante un fuelle o un *entilador. n la fragua se emplean como combustible di*ersos tipos de carbón, entre ellos coque o carbón *egetal. l herrero además de martillos, emplea otras herramientas en las diferentes operaciones de forja. n general e"isten seis tipos básicos de forjado5 el engrosado, que consiste en reducir la longitud del metal y aumentar su diámetro6 la compresión para reducir el diámetro del metal6 el doblado6 la soldadura, o unión de dos pie#as de metal por semi fusión6 el perforado, o formación de pequeñas aberturas en el metal, y el recortado o reali#ación de grandes agujeros. )ara engrosar una pie#a de metal se golpea a lo largo de la dimensión más larga 7por ejemplo, el e"tremo de una barra o *arilla8, lo que acorta y comprime la pie#a. La compresión se logra golpeando el tro#o de metal mientras se sujeta sobre el yunque con alguna de las di*ersas herramientas cónca*as llamadas estampas de forja. l doblado se consigue golpeando la pie#a alrededor de un molde o haciendo palanca con la pie#a en un punto de apoyo. )ara soldar hierro en la fragua, se aplica en primer lugar un fundente 9como el bóra"9 al metal calentado, para eliminar cualquier posible ó"ido en las superficies de las pie#as, y después se juntan éstas golpeando una contra otra a altas temperaturas6 si está bien hecha, una junta soldada de este tipo es homogénea y tan resistente como el metal original. )ara taladrar agujeros pequeños se apoya el tro#o de metal en una pie#a anular situada encima del yunque y se atra*iesa con un pun#ón a golpes de martillo. )ara recortar agujeros mayores o tro#os de metal se emplean cinceles pesados y afilados, similares a los cortafr'os utili#ados para cortar metal en fr'o. La combinación de *arias operaciones puede producir pie#as forjadas de una gran *ariedad de formas.
Forja manual La forja manual es la forma más sencilla de forjado y es uno de los primeros métodos con que se trabajó el metal. )rimero, el metal se calienta al rojo *i*o en el fuego de una fragua, y después se golpea sobre un yunque para darle forma con grandes martillos denominados machos de fragua. 4sta es un hogar abierto construido con una sustancia refractaria y duradera, como ladrillo refractario, y dotado de una serie de aberturas por las que se fuer#a el aire mediante un fuelle o un *entilador. n la fragua se emplean como combustible di*ersos tipos de carbón, entre ellos coque o carbón *egetal. l herrero además de martillos, emplea otras herramientas en las diferentes operaciones de forja. n general e"isten seis tipos básicos de forjado5 el engrosado, que consiste en reducir la longitud del metal y aumentar su diámetro6 la compresión para reducir el diámetro del metal6 el doblado6 la soldadura, o unión de dos pie#as de metal por semi fusión6 el perforado, o formación de pequeñas aberturas en el metal, y el recortado o reali#ación de grandes agujeros. )ara engrosar una pie#a de metal se golpea a lo largo de la dimensión más larga 7por ejemplo, el e"tremo de una barra o *arilla8, lo que acorta y comprime la pie#a. La compresión se logra golpeando el tro#o de metal mientras se sujeta sobre el yunque con alguna de las di*ersas herramientas cónca*as llamadas estampas de forja. l doblado se consigue golpeando la pie#a alrededor de un molde o haciendo palanca con la pie#a en un punto de apoyo. )ara soldar hierro en la fragua, se aplica en primer lugar un fundente 9como el bóra"9 al metal calentado, para eliminar cualquier posible ó"ido en las superficies de las pie#as, y después se juntan éstas golpeando una contra otra a altas temperaturas6 si está bien hecha, una junta soldada de este tipo es homogénea y tan resistente como el metal original. )ara taladrar agujeros pequeños se apoya el tro#o de metal en una pie#a anular situada encima del yunque y se atra*iesa con un pun#ón a golpes de martillo. )ara recortar agujeros mayores o tro#os de metal se emplean cinceles pesados y afilados, similares a los cortafr'os utili#ados para cortar metal en fr'o. La combinación de *arias operaciones puede producir pie#as forjadas de una gran *ariedad de formas.
INTRODUCCIÓN DE LA FORJA Y U TI!O DE !ROCEO La forja es un método para formar una pie#a de metal t'picamente a temperatura ele*ada por medio de martillo, prensa o laminado entre dos herramientas. La forja comien#a con una forma simple empie#a como un tocho, lingote o una barra. Los metales a forjar incluyen los siguientes metales que son acero, aluminio, titanio, base cobre y base niquel. &uáles son los beneficios de la forja5 structura metalúrgica. • • • •
Flujo de granos sique el contorno de la parte forjada l flujo de grano mejora las propiedades de fatiga y fracturas del metal )ropiedades direccionales Forjado, placa y fundición
conom'a. • • • • • •
esempeño &osto del ciclo de *ida &osto del mecani#ado &osto de herramental :iempo de entrega ;pción de material < *irtualmente limitado
&onsolidación. •
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=anado > cerrado de la porosidad y huecos lo que da más ductilidad y tenacidad mientras se mantiene la resistencia Los metales que son fundidos en lingotes o planchones t'picamente contienen poros asociados con gas atrapado y la contracción por solidificación
0omogeni#ación. • •
?educe la segregación de elementos de aleación ?efina la estructura de grano
@Aué se puede lograr con la forjaB Ceometr'a 7forma, tamaño, complejidad geométrica8. :olerancias, :olerancias, integridad superficial y condiciones para satisfacer los requerimientos funcionales. )ropiedades y calidad del producto.
:asa :asa de producción y costo. Factores ambientales 7contaminación, seguridad, energ'a y consumo de material8.
Laminado de anillos @Aué es el laminado de anillosB Dn proceso sin costura con propiedades de forja @)orque usar un anillo laminadoB • • •
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Flujo de grano continúo Elgunas superficies se pueden dejar tal y como se forja l laminado de anillos es eficiente en cuanto al uso de material, utili#ando hasta el 3+ del tocho de inicio ?educe el tiempo de reparación de la forja l costo de herramental no rs muy importante eformación de una preforma calentada para crear un anillo sin costura con propiedades de forja Los diámetros pueden ser de unas cuentas pulgadas hasta G2m La cara de la altura puede e"ceder (.H m La sección trans*ersal de los anillos pueden ser perfilados Los pesos pueden ser hasta de HH toneladas métricas
Diferentes "ro#esos de forja$ Forja en frio < a temperatura ambiente. Forja en tibio < debajo o cerca de la temperatura de recristali#acion 7(2%%I F < (J%%I F 7K2% < $%I &8 para aceros8. Forja caliente < arriba de la temperatura de recristali#acion 7(2%%I F < HH%%I F 72% < (H%%I &8 para aceros, 2%%IF para El, 3% < J%I& para &u8. Forja en frio5 el trabajo en frio debe hacerse a temperaturas abajo del rango de re cristali#ación y frecuentemente en reali#ado a temperaturas ambiente. ebido a la alta resistencia del material, el forjado en frio requiere de fuer#a de mayor potencia, y el material de la pie#a de trabajo debe tener suficiente ductilidad a la temperatura ambiente. &ules son los efectos en el trabajo en frio5 •
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Los esfuer#os son dejados en el metal y permanecen con ellos hasta que se elimine por un tratamiento térmico. =e crea una distorsión o fragmentación de la estructura del grano. La resistencia y la dure#a se aumentan con la correspondiente pérdida de ductilidad. La temperatura de re cristali#ación para el acero se aumenta.
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)ueden mantenerse tolerancias dimensionales cerradas. =e mejora el acabado superficial.
Forja en caliente % l trabajo en caliente de los metales toma lugar por encima de la re cristali#ación o rango de endurecimiento por trabajo. )ara el acero, la re cristali#ación permanece alrededor de 3%% a J%%I &, aunque la mayor'a de los trabajos en caliente de acero se hacen a temperaturas considerables arribas de este rango. &uáles son sus efectos en la forja caliente5 • •
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La porosidad del metal es considerablemente eliminada. Las impure#as en forma de inclusiones son destro#adas y distribuidas a tra*és del metal. Los granos gruesos o prismáticos son refinados. Las propiedades f'sicas generalmente se mejoran, la ductilidad y resistencia al impacto se perfeccionan. La cantidad de energ'a necesaria para cambiar la forma del acero es menor a la requerida en un trabajo en frio. ?ápida o"idación o formación de cascarilla. )obre acabado superficial. !o pueden mantenerse tolerancias cerradas. &osto de equipo y mantenimiento alto.
Forjado en tibio5 Dn proceso conocido como forjado en tibio utili#a una temperatura intermedia que normalmente se usa para trabajo en frio y caliente. !o hay cambios metalúrgicos en el metal e imperfecciones en la superficie frecuentemente asociadas con el metal del trabajo a temperaturas ele*adas. La temperatura del metal, las presiones y *elocidades del forjado deben controlarse cuidadosamente, puesto que el metal está por debajo de la temperatura de re cristali#ación.
&entajas ' des(entajas de los "ro#esos de forja F?; /entajas (. )roceso de presión 7tolerancias cerradas8.
:1; /entajas (. &ombina las *entajas de forja en frio y caliente. H. Mejor formalidad.
&EL!: /entajas (. )uede conformar partes muy complejas.
H. Mejora la resistencia de las partes.
$. Menores presiones de conformado.
$. )resiones bajas de conformado.
$. Mejora acabado superficial.
K. Mayor ra#ón de deformación.
K. )uede conformar partes de *olúmenes y pesos grandes.
K. Ehorros en material.
3. !o se requiere recocido
es*entajas (. )resiones de formado altas. H. =e requiere *arios pasos de preformado.
es*entajas (. Eltos costos de herramienta. H. l herramental debe soportar las cargas de altas temperaturas.
$. ?ecosido entre pasos de conformado pueden ser requeridos. K. 1aja friabilidad.
Errores en las "ie)as de tra*ajo
H. 1uena formalidad.
es*entajas (. ;"idación dela superficie. H. Menor presión 7tolerancias más amplias8.
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rrores dimensiónales5 des*iaciones con respecto al *alor nominal rrores de posición5 des*iaciones en los ejes de un cuerpo con respecto a la posición deseada, por ejemplo paralelismo rrores de forma5 des*iaciones con respecto a la forma ideal, por ejemplo errores en la cilindricidad, paralelismo y o*al amiento
a8 rror en la forma rNOr. b8 rrores dimensionales y de forma debidos como resultado del error de forma de un área. c8 rrores dimensionales y de forma debidos como resulta del error en la posición relati*a Pm. d8 rrores dimensionales y de forma debido como resulta del error de inclinación PQ.
+rados de toleran#ia IT Los grados de tolerancia : se refieren a los grados internacionales de tolerancia para un proceso industrial definidos por =; H2. ste grado identifica que tolerancia se puede producir con un proceso dado para unas dimensiones determinadas. La tolerancia espec'fica para un grado : en particula se calcula con la siguiente formula.
onde5
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: es la tolerancia en micras 7um8 es la dimensión media en mil'metros 7mm8 :C es el grado de tolerancia :, en entero positi*o Dno piensa en una dimensión cla*e de una parte y cuál es la tolerancia requerida para esa dimensión, entre más grande sea el grado :C mas abierta es la tolerancia La precisión de las herramientas es muy importante para la precisión de las pie#as conformadas, ya que el conformado es una forma de copiar en lo que se puede considerar la herramienta en un almacén análogo de la forma del producto Las des*iaciones de las dimensiones deseadas en las herramientas se muestra como errores sistemáticos en el proceso Los requerimientos de las herramientas son5 a8 alta precisión b8 cambios dimensionales pequeños debido a desgaste )ara alto desempeño la calidad de la herramienta debe de ser $ a 3 grados de tolerancia mejores a la precisión deseada R ados de forja : J> 2 a (H R 0erramientas de recalcado y dados de e"trusión :3> a R Enillos de pretensado para herramientas de e"trusión :$> K a J
E,"ansi-n t.rmi#a n el caso de las herramientas de trabajo en caliente se debe considerar la contracción térmica, es decir las herramientas de forja serán más grandes que el producto. La corrección para esta contracción se puede calcular como PiSQi7:TR :t8. onde Q es el coeficiente de e"pansión térmica
Material
&oeficiente de e"pansión térmica entre la temperatura ambiente y 7m>mRIc8
!
E=
2%%I&
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H%.$-(%
-(3&r!i=iH3H%
$(K
(.2-(%UR
(J.$-(%UR
(J.J-(%UR (2-(%UR
(2.$-(%
Condi#iones "ara la fa#ti*ilidad e#on-mi#a de la forja de "re#isi-n • • •
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l *olumen de producción es alto Los ahorros de material son considerables La forja de precisión elimina operaciones de mecani#ado caras y tardadas como el brochado La *ida de la herramienta es suficientemente larga para que se consiga ahorros significati*os de la herramienta La in*ersión del capital se justifica por los ahorros
!re#isi-n de m/0uinas ' 1erramientas 2uiado Los factores que afectan la precisión del proceso desde el punto de *ista de las maquinas herramientas son5 •
Cuiado del ariete 7martinete85 R &ontrola la precisión de posición entre las herramientas superior y la inferior R l error de posición deri*ados de las fuer#as centradas o e"céntricas que resulte en inclinación del material R l error de posición sin carga
Las causas de estos errores de posición desde el punto de *ista del diseño de la máquina. • • • •
&laro entre gu'as con la prensa sin carga eformación elástica local de las gu'as nclinación lateral del ariete )or ejemplo el error de posición de una prensa mecánica para cargar es al menos K *eces el *alor medido sin carga
&omo un *alor gu'a para la precisión dl ariete sin carga 7medido por la perpendicularidad de las gu'as del ariete con la superficie del ariete as' como el claro de las gu'as8 una tolerancia de amparar una carrera de (%% mm es normal mayor presión no es económicamente posible. Mejores precisiones en el guiado se pueden obtener con gu'as con rodamientos.
FRICCION3 LU4RICACIÓN Y DE+ATE
Fuentes de fri##ion en la forja la rugosidad superficial es una indicación de que tanta diferencia hay entre *alles y picos y cuantas resistencias de friccion habrá. Los lubricantes actúan para separar las superficies de contacto entre dado y pie#a
Fri##ion ' lu*ri#a#i-n •
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Los procesos de forja el flujo de materiales originado por la presión transmitida delos dados 7matrices8 a la pie#a de trabajo Las condiciones de friccion en la interface herramienta> pie#a de trabajo afectan el flujo de material, la formación de defectos internos y superficiales, los esfuer#os en las herramientas y los requerimientos de carga y energ'a. &aracter'sticas de los lubricantes utili#ados en forja. ?educir friccion> buena lubricidad. )re*enir adherencia y desgaste. )ro*eer buen ailamiento termicoespecialmente formado en caliente 7*idrio como lubricante8. ?educir la reacción qu'mica 7inserte8 ?educir la erocion y el desgaste 7nonRabrasi*o8 !o contaminante e fácil aplicación y remoción 7*idrio, grafito, inmersión, aspersión8 isponible a costos ra#onables
Lu*ri#antes Lubricantes usados en forja fr'a5 • •
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stearato de fosfato de #inc 7para acero8 stearato de aluminato de calcio, stereato de floruro de aluminio eestereato de fosfato 7para aluminio8 ;"alato de hierro V jabon alcalino 7para acero ino"idable8 M& 0;ME: lubricante con base de a#ufre
Lubricantes usados en forja tibio y en caliente5 • • • •
Crafito 7para acero, acero ino"idable, aluminio, bronce y laton8 /idrio 7para titanio8 isulfuro de magnesio 7para titanio y aluminio8 mulsión de aceite mineral y ácido graso 7para aluminio cobre y bronce8
Fri##i-n ' lu*ri#antes
/alores prácticos de fricción5 Ley de corte constante m es más práctico para usarse en forja mientras que coulomb W es más práctico para formado de lámina. )ara *arias condiciones de formado, el formado es5 • • •
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%.%3 a %.(3 en forja en frio 7lubricante con*encional8 %.H% a %.K para forja en caliente en lubricante 7lubricante con*encional8 %.(% a %.$ para forja en caliente para aleaciones : y ! 7con *idrio como lubricante8 %.J a ( en rolado en caliente 7sin lubricante8
R eterminación de lubricante R l lubricante y la transferencia de calor interactúan por lo tanto se deben tomar en cuenta los efectos de enfriamiento del proceso actual a8 temperatura de probeta y dado, y tiempo de contacto entre dado y tocho b8 la generación de superficie debe ser la misma c8 la *elocidad relati*a debe ser la misma
!rue*a de #om"resi-n de anillos Las dimensiones de la muestra y las temperaturas y *elocidades de deformación se deben seleccionar para que se ajusten a condiciones reales de deformación. Dn anillo se comprime entre dos dados planos. =e mide el diámetro interior del anillo de deformado y se compara con las cur*as de calibración, de esa manera determinar of m o m.
As"e#tos de lu*ri#a#i-n de 2rafito • •
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s un material cristalino de estructura he"agonal l grafito se *uel*e un lubricante cuando los *apores condensables de *apores orgánicos o agua se obser*an en las orillas de las plaquetas. ntonces el enlace en la dirección c se debilita y permite el desli#amiento l grafito de tamaño %.3 a H.% Wm se puede usar en forma coloidal
Lubricantes con part'culas de grafito base agua y base aceite.
?ociado 7pul*eri#ado, atomi#ado8 sobre tochos y dados
ele##i-n de lu*ri#ante @&ómo aceite o libre de aceiteB l aceite puede ser usado en algunas áreas, pero en otras no debido a los riesgos de incendios y desecho del desperdicio. =e recomiendan lubricantes libres de aceite para mantener talleres más limpios y reducir los riesgos de seguridad y desecho. La combinación de tochos recubiertos y un lubricante para los dados o solo lubricante para los dados, cuales son estas *entajas de este método5 •
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Dn recubrimiento para tocho, tal como protege la superficie del metal contra la formación de cascarilla 7o"idación8. l e*itar la cascarilla mejora el acabado superficial y mantiene el taller más limpio. Dn recubrimiento para tocho también ayuda con la lubricación cuando la parte es conformada Dn tocho recubierto también promo*erá una mayor *ida a la herramienta
;ptimación de recubrimiento del tocho •
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:rabaja con un ingeniero de *entas e"perto para determinar la mejora de temperatura del baño y la técnica que se adapte a sus necesidades Los tochos se pueden recubrir a granel o en l'nea Midiendo el contenido de los sólidos y manteniendo la estabilidad del baño asegura resultados de seguridad
s posible usar un lubricante a base de grafito o lubricantes de grafito. •
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l mo*imiento del metal con detalles intricados trabaja mejor con un lubricantes a base de grafito )ara acabado de la superficie optimo se recomiende L:EF;?C FR $( Lubricante sin grafito tales como L:EF;?C C) 2% o L:EF;?C ((%3 pueden ser usados en combinación con los tochos recubiertos
Dsando solo un lubricante para los dados. •
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)ara la mayor'a de las forjas en tibio y caliente, se requieren lubricantes con base de grafito para cumplir con las especificaciones de acabado superficial y mo*imiento de material. Dn lubricante sin base de grafito puede ser usado en casos simples, pero el desgaste del herramental aumentara asi como las fuer#as y energ'a requerida para mo*er el material.
Como a"li#ar el lu*ri#ante al dado
La técnica depende de las necesidades de la herramienta sobre la que se aplica, y el tiempo total del ciclo. legir el rociado siempre que sea posible para optimi#ar la formación de la pel'cula de lubricante y mejorar la *ida de herramienta y el acabado de la parte. lija inundación o una combinación de pul*eri#ación e inundación para tiempo de ciclos cortos pero como saber cuándo se tiene que usar inundación o pul*eri#ación. •
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Las temperaturas de las herramientas deben de medirse en la aplicación de la forja en tibio =i las condiciones a inundación no cumplen con las condiciones que requiere el herramental, un sistema separado de pul*eri#ación puede ayudar a mejorar la formación de pel'cula de lubricante Dsualmente el ciclo de inundación es regulado para el enfriamiento, después un ciclo de pul*eri#ación rápido en las áreas en las que se necesitan mejor formación de pel'cula
CARACTER5TICA DEL E6UI!O DE FORJA Los forjadores modernos tienen acceso a una gran *ariedad de tipos de equipo de forja. &uando se diseña dados para forjar o al desarrollar procesos de forjado, a menudo el diseñador se *e limitado a los equipos disponibles en la fábrica. )or lo tanto, no es siempre posible seleccionar el tipo de equipo óptimo para un trabajo de forja en particular.
s por esta ra#ón principalmente, y debido a que ocacionalmente podemos tener la oportunidad de garegaruna nue*a pie#a a nuestro equipo, que es importante entender las diferencias principales entre las diferentes clases de equipo de forja y cómo estás diferencias tienen efecto sobre el proceso de formado de metal y sobre las decisiones de diseño del dado. n general e"isten cuatro caracter'sticas que deben ser comprendidas al seleccionar el equipo de forja6 el porcentaje de deformación del metal, la temperatura durante la forja, la consistencia, y la *elocidad de producción. E medida que se discuta cada clase de equipo, estos asuntos serán descatados. stas caracter'sticas pueden ser definidas como.
El "or#entaje de deforma#i-n del metal es en general, el porcentaje de cierre del dado o la *elocidad relati*a entre los dados. sta *elocidad es fácilmente medida, controlada y frecuentemente se utili#a para propósitos de análisis. l porcentaje de deformación depende de la maquinaria utili#ada y se puede adaptar a los requerimientos de material a temperaturas altas de forja, la mayor'a de los materiales son sensibles al 'ndice de la deformación. La tem"eratura durante el forjado se refiere tanto a la temperatura de la pie#a antes del forjado as' como la temperatura durante el forjado. n raras ocasiones la temperatura durante el forjado es uniforme. sta es afectada por el tiempo de contacto con el dado, la temperatura del dado, el porcentaje de deformación y otros factores. La distribución de temperatura o gradiente de temperatura puede afectar el é"ito de la forja.
La #onsisten#ia es el proceso de forja usualmente se refiere al control dimensional. :ambién puede referirse a la capacidad del equipo para lograr este control dimensional ya sea mediante la aplicación de energia, control de temperatura, una fuer#a repetible o el cierre de los dados. La consistencia se logra solo cuando todos los componentes de una celula de forjado esta indi*idualmente dentro del control.
La (elo#idad de "rodu##i-n es el número de partes producidas por unidades de tiempo. sta puede ser muy baja en caso de máquinas lentas o muy altas para máquinas de muy alta *elocidad. Los factores principales que determinan estos son la *elocidad de golpe, la *elocidad de la biela y el grado de automati#ación.
Ti"o de e0ui"os
l equipo para forja puede ser clasificado en tres grandes categor'as6 máquinas de carga restringid, máquinas de carga restringida y máquinas de energ'a restringida. Las máquinas de carrera restringida generalmente incluyen solo prensas hidráulicas, debido a que tiene una fuer#a limitada determinada por la operación o por el diámetro del martillo. Las máquinas de carrera restringida incluyen las prensas de mani*ela y las prensas e"céntricas, estas prensas tienen una flecha o una mani*ela e"céntrica que define la carrera del trabajo de la máquina y no puede ser alterado sin una modificación mayor del equipo. Finalmente las máquinas de energ'a restringida incluyen martinetes y prensas de tornillo, estas máquinas tienen una cantidad limitada de energ'a disponible para propocitos de deformación aunque puede golpear las pie#as de trabajo de múltiples ocasiones. Ehora e"aminaremos cada una de ellas.
7/0uinas de #ar2a restrin2ida
Las prensas hidráulicas tienen una capacidad má"ima definida por la má"ima presión hidráulica y el tamaño del pistón o pistones impulsadores. ebido a que se puede utili#ar *arios pistones, la capacidad de la prensa puede ser muy grande, de hecho las prensas más grandes en e"istencia son hidráulicas. Las prensas hidráulicas son utili#adas para forjar con dado abierto de lingotes y grandes planchas. ebido a que la fuer#a de la prensa hidráulica puede ser desarrollada en distancias muy largas, la capacidad de energ'a de forja de la prensa es casi limitada. La prensa hidráulica tiene una *elocidad relati*amente lenta en el rango de %.3 a 3 pulgadas>segundo. La *elocidad del martillo es usualmente controlado dentro de l'mites estrechas y pueden incluso ser cambiados si es necesario durante la carrera de la forja, por lo tanto el rango de deformación es lento.
Las prensas hidráulicas son fácilmente controladas y por todo pueden ser muy considerables, cuando se necesita una precisión muy alta en la aplicación de dados cerrados, los dados pueden cerrar sobre #apatas de unión o sobre superficies de calibración, en estos casos la tolerancia de cierre de los dados son muy pequeñas y la consistencia es e"celente. ebido a la baja *elocidad del martillo, las prensas hidráulicas tienden a tener una baja *elocidad de producción. n aplicaciones normales esto no es un detrimento sin embargo puede ser un factor cuando se encuentre una aplicación inusual. &ómo funciona la prensa hidráulica gráficamente.
/entajas de la prensa hidráulica de acción sencilla (8 Dna *entaja es que esta prensa no se puede ser sobrecargada porque cuenta por lo menos con dos *ál*ulas de liberación. H8 :odo el tonelaje puede ser desarrollado a lo largo de toda la carrera, mientras que en la prensa mecánica el tonelaje disponible es una función de la carreara.
$8 l tonelaje es ajustable permitiendo la operación con bajo tonelaje para troqueles frágiles K8 l despla#amiento es ajustable para el trabajo que se *a hacer. 38 La fijación de los herramentales en la prensa es más sencilla porque no es necesario ajustar por *ariaciones de espesor en la materia prima. 8 La *elocidad de embutido permanece constante durante toda la carrera. J8 n general las prensas de carrera larga son menos caras que las prensas mecánicas. es*entajas de la prensa hidráulica de acción sencilla (8 =e necesita un motor más grande comparado con una prensa mecánica porque no hay *olante de inercia dond se puede almacenar energ'a. =in embargo no requiere más corriente que una prensa mecánica de la misma capacidad. H8 !o se aplica generalmente a operaciones de recorte porque la onda de choque a l momento de la fractura es perjudicial para la tuber'a, sellos y cone"iones de las prensas. stas des*entajas no son las importantes ahora debido a mejores técnicas de soldadura, cabe#ales y juntas fle"ibles. $8 Ceneralmente se consideran que son más dif'ciles de mantener que las prensas mecánicas, debido a que las reparaciones de las prensas mecánicas se pueden detectar *isualmente y en la prensa hidráulica es necesario conocer muy bien el circuito hidráulico para determinar la falla. K8 Múltiples herramientas son generalmente no posibles a menos que las presiones estén muy bien balanceados. ?esumen de la prensas hidráulicas ?ango de deformaciónRRRRRRRRRRRRRRRRRRRbajo )erdida de temperaturaRRRRRRRRRRRRRRRRRRalta &onsistenciaRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRmuy buena /elocidad de producciónRRRRRRRRRRRRRRRRRRbaja
7/0uinas de #arrera restrin2ida
E *eces ampliamente conocidas como prensas mecánicas, las prensas de mani*ela o e"céntricas son ampliamente construidas para impresión y forja con dados cerrado. stas son clasificadas como de carrera restringida porque la mani*ela o flecha e"céntrica determina la carrera del martillo y esta no puede ser cambiada. La *elocidad del martillo está determinada para la *elocidad del *olante y la geometr'a del impulsor, usualmente puede ser un mecanismo de mani*ela desli#ante o de un cople scotch, la *elocidad de golpe es también una medida de la *elocidad del martillo, una cur*a t'pica de tiempo *s golpe. n esta prensa, el torque má"imo disponible d la mani*ela o flecha e"céntrica está controlada por el clotch. l torque permite que el martillo *alla desde el centro muerto inferior donde carga en lo mayor posible y regresa hacia la parte superior de su carrera. n las prensas mecánicas, los rangos del tiempo del contacto *an de H% a (%% milisegundos. l tiempo está determinado por la cantidad de deformación de metal que ocurre, la desaceleración de la prensa y la rigide# de la prensa. stos dos primeros factores están relacionados. Mientras aumenta la cantidad de mo*imiento del metal, se requiere más carrera de la prensa y más energ'a de forjado por tanto la prensa desacelera más y los dados entran en contacto con la pie#a de trabajo durante más tiempo. La *elocidad de cierre del dado en las prensas mecánicas es no < lineal, esto quiere decir que la *elocidad está relacionado con la cinética del mecanismo impulsor. n todos los casos sin embargo la *elocidad real cerca del centro muerto inferior es casi cero, debido a que el dado se mo*erá sin haber cerrado, toda la deformación del metal tiene lugar antes de que la prensa alcance este punto. )ara propósitos prácticos, la *elocidad de cierre de los dados pueden ser estimada entre (H y HK pulgadas>segundo para la mayor'a de las forjas, está aún se encuentra relati*amente en el rango de baja *elocidad.
n las prensas mecánicas, la *elocidad de producción pueden ser altas esto le proporciona capacidad a la prensa para manejar partes en *arias estaciones de forjado simultáneamente, para permitir el corte junto con el forjado, o para ser automati#adas. n todos los casos se utili#a un solo golpe por estación de forja y por lo tanto son necesarios tantos golpes como estaciones de forja que e"istan. &uando se utilice más de una estación de forjado al mismo tiempo, el ritmo de producción se incrementara siempre y cuando la prensa tenga adecuadas capacidades. La automati#ación se puede aplicar para agili#ar el tiempo y por lo tanto el ritmo de producción global. &ómo funciona la prensa hidráulica gráficamente.
/entajas de la prensa mecánica de acción sencilla (8 La prensa mecánica de acción sencilla es más rápida que la prensa hidráulica con*encional. H8 s la mejor prensa para las operaciones de pun#onado por su resistencia a las ondas de choques
$8 l motor requerido es más pequeño que el de la prensa hidráulica, porque puede almacenar la energ'a en el *olante de inercia. K8 )uede ser adaptada con sistemas con transferencia de rodillos o translación y para troqueles progresi*os. 38 Las personas mecánicas de carrera cortas son más económicas que las prensas hidráulicas. es*entajas de la prensa mecánica de acción sencilla (8 La prensa mecánica con cojinete tiene un tonelaje má"imo a una cierta distancia arriba del fin de la carrera, usualmente XY. H8 La prensa mecánica no se ajusta a s' misma para compensar por *ariaciones de espesor en la materia prima. Lo cual requiere más cuidado al ajustar los troqueles y compensar por las *ariaciones de espesor en la materia prima. $8 &uando una prensa mecánica se usa para embutido que es casi la mitad de la carrera entra en acción a una *elocidad alta y la *elocidad se reduce al continuar hacia abajo. )or lo tanto no le da tanta oportunidad al material para fluir como la prensa hidráulica. K8 La prensa con cojinete tiene un tonelaje má"imo a una cierta distancia arriba del fin de la carrera, usualmente XY. 38 La prensa mecánica no se ajusta a s' misma para compensar por *ariaciones de espesor en la materia prima. Lo cual requiere más cuidado al ajustar los troqueles y compensar las *ariaciones del espesor de la materia prima. 8 &uando una prensa mecánica se usa para embutido que es casi la mitad de la carrera entre la acción a una *elocidad alta y la *elocidad se reduce al continuar hacia abajo. )or lo tanto no le da tanta oportunidad al material para fluir como la prensa hidráulica. ?esumen de la prensas mecánicas ?ango de deformaciónRRRRRRRRRRRRRRRRRRRbajo a medio )erdida de temperaturaRRRRRRRRRRRRRRRRRRmoderada &onsistenciaRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRbuena /elocidad de producciónRRRRRRRRRRRRRRRRRRmoderada alta )rensa de tornillo
La mayor'a de las prensas de tornillo están impulsadas por un motor eléctrico y el *olante de algún tipo. Dnos cuantos diseños están directamente están impulsados por uno o más motores eléctricos y un mecanismo de embrague. n cualquier caso, el impulsor gira un tornillo grande que enseguida acelera el martillo hacia abajo, al momento del impacto 7contacto con el dado8, la dirección del tornillo se in*ierte y el martillo es ele*ado hasta la parte superior de la carrera. La energ'a está limitada por el *olante o la combinación del motor > clotch al controlar el tiempo de embrague del clotch o del *olante, se puede cambiar la cantidad de energ'a para adaptarse a las condiciones de forja. La *elocidad del tornillo, oscila desde HK a K2 pulgadas>segundo, esta *elocidad está relacionada con la *elocidad del *olante o el tiempo de embrague del clotch. E diferencia de las prensas mecánicas, la *elocidad má"ima ocurre en la parte inferior de la carrera. )or tanto, la prensa de tornillo produce un rango de deformación mucho mayor. La resistencia a la deformación de los materiales puede resultar en la generación de cargas de forjado más altas, todos los demás factores permanecen iguales. La consistencia de las prensas de tornillo está determinada por una rigide# y por la ubicación de los dados de impresión o estaciones. La mayor'a de los diseños de prensas de tornillo libera su carga en un solo punto, justo debajo del tornillo. ste aspecto es muy similares a las prensas de una sola biela. E diferencia de las prensas mecánicas, e"iste poca oportunidad para lograr estabilidad lateral con un apoyo ancho. n cambio la carga se transmite atre*es de los filetes de una cuerda o, en algunos casos atre*es de un apoyo de pi*ote. l desgaste de cualquiera de estos trae como resultado un apoyo defectuoso y poca estabilidad para un trabajo centrado. Los rieles largos sir*en más para pre*enir la e"cesi*a rotación del martillo 7por la rotación del martillo8 que para incrementar la capacidad de la prensa para trabajos pesados.
Las prensas de tornillo usualmente tienen áreas de cama menores que sus equiparables las prensas mecánicas, como resultado sus dados son más parecidos a los del martinete de forja y pre*iene el uso de más de una estación de trabajo al mismo tiempo. El igual que los martinetes de forja, las prensas de tornillo pueden ser utili#adas para múltiples golpes en cualquier estación dada, esta caracter'stica, sin embargo no se utili#a frecuentemente debido a que lqas prensas de tornillo tiene ni*eles de energ'a mucho mayores que un martinete de forjado comparable. Las prensas de tornillo son casi tan fáciles de automati#ar que las prensa mecánicas de all' que su *elocidad de producción es normalmente alta para partes simples a moderada para partes más complicadas. ?esumen de la prensas de tornillo ?ango de deformaciónRRRRRRRRRRRRRRRRRRRmoderado alto )erdida de temperaturaRRRRRRRRRRRRRRRRRRmoderado &onsistenciaRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRadecuada o buena /elocidad de producciónRRRRRRRRRRRRRRRRRRmoderada alta
Martinete Los martinetes son la manera más antigua de herramientas de deformación de metales. stas se originaron como el martillo del herrero y se han desarrollado
n poderosas herramientas con capacidades de energ'a de hasta 32%,%%% pies>libra. &aida libre del martillo ).S mg0 )oder del martillo ).S mg0 V pE0 &uando mS masa de la ram gS gra*edad 0S altura de la ca'da de la masa ram )S presión del pistón ES área del pistón La energ'a el, martinete de forja está determinada por su peso de ca'da y su *elocidad de impacto. n los martinetes de forja de ca'da por gra*edad, esto está calculado por el peso de todas las partes que caen 7incluyendo el dado8 y la altura sobre la cual recae el peso de las partes que caen y la presión efecti*a de impulso, las pérdidas de presión y la presión generalmente resulta en una presión efecti*a de apro"imadamente de la mitad de presión en l'nea. La diferencia de cualquier de las prensas la estructura del bastidor del martinete de forja no soporta carga. Las partes generadoras de fuer#a son los martillos y el yunque, justo como si fuera el martillo y el yunque del herrero. La estructura del bastidor proporcionado solamente la gu'a y un medio de sostener y locali#ar el cilindro o el mecanismo impulsor. La fuer#a es generalmente en el martillo al con*ertir la energ'a cinética del martillo de deformación de la prensa de trabajo, la eficiencia de esta con*ersión depende la la cantidad de deformación la fuer#a resultante, la relación de peso entre el yunque y el martillo. n términos prácticos raramente e"cede al %+ cuando se ejecuta el trabajo de forja. &uando tiene lugar una pequeña deformación, más grande proporciones de la energ'a son almacenadas en los componentes de martinete de forja y por tanto requiere más golpes del martillo para completar el trabajo de forja. Los martinetes de forja generan *elocidades de impacto que *ar'an desde los (3% hasta $%% pulgadas>segundo. La *elocidad de impacto puede ser controlada al limitar la altura de ca'da, por medio del ajuste de la posición del pedal que hace el
operador y la *elocidad, o pre programado una *ál*ula te tempori#adora en las maquinas modernas. stos controle son necesarios en algunos casos para controlar el flujo del metal, sin embargo la forja por martinete aún resulta en rangos de deformación altos. Los martinetes de forja cuentan con los cuerpos generadores de fuer#a más compactos de cualquier equipo de forja de su clase considerado en esta sección. =e puede mostrar que en esta compactación resulta en un menor tiempo de contacto entre los dados durante la forja. l contacto está relacionado con la cantidad de deformación y la energ'a aplicada una gran deformación, el tiempo de contacto es relati*amente largo. &uando se aplica mucha energ'a a una pie#a y la deformación es pequeña el tiempo de contacto es muy corto. Los *alores t'picos *an desde H a H% milisegundos, como resultado la forja por martinete de forja resulta en la perdida de temperatura más baja durante el contacto con el dado. Los martinetes de forja pueden ser maquinas muy producti*as dependiendo en la forma que son operados y si el sistema de calefacción puede suministrar un buen calentamiento en el material ?esumen de la prensas de tornillo ?ango de deformaciónRRRRRRRRRRRRRRRRRRRalto )erdida de temperaturaRRRRRRRRRRRRRRRRRRbajo &onsistenciaRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRadecuada o buena /elocidad de producciónRRRRRRRRRRRRRRRRRRmoderada ?esumen de caracter'sticas de las prensas
)rensa hidráulica )rensa mecánica )rensa de tornillo Martinete de forja
?ango de deformación 1ajo
)erdida de temperatura Elto
Muy bueno
/elocidad de producción 1aja
1ajo a medio
Moderado
1uena
Moderada alta
Moderado a alto Elto
Moderado
Edecuada abuena Edecuada a buena
Moderada a alta moderada
1ajo
&onsistencia
!ROCEO DE FORJA Calentamiento La forma más antigua de calentamiento del lingote es lo que llamaremos > conecti*a. ;riginalmente es la forma del herrero, el metal era calentado
quemando coque con aire mientras la pie#a de trabajo era colocado a los carbones. "isten tres formas de calentamiento que *eremos a continuación. )rimera forma de calentamiento. n las formas más modernas se utili#a un horno alimentado con combustibles, el gas o el petróleo son quemados con un e"ceso de aire para calentar las paredes del horno. Las paredes entonces irradian al calor hacia el interior del horno y hacia cualquier material dentro del horno. l material es calentado por una combinación de mecanismos con radiación siendo el Npredominante seguido por con*ección. !o es deseable tener la fama del horno directamente sobre el trabajo ya que esto resultara en un rápido sobrecalentamiento y posiblemente en la función de la superficie. ;tra forma de este tipo de horno radiante eléctrico. ste tipo, unidades de calentamiento eléctricas se utili#an para calentar las capas o superficies del horno y el inferior del metal. ste caso e"iste menos posibilidades de quemar y de una cierta tendencia menor a la formación e"cesi*a de escamas. l control de temperatura del tocho no es usualmente muy consistente con este tipo de horno. Los controles de temperatura se utili#an para regular la temperatura del horno pero el tiempo en el horno y la ubicación de la pie#a de trabajo tiene un gran efecto sobre la temperatura de la forja final y su uniformidad. La lenta *elocidad de calentamiento permite más tiempo para la formación de escamas u o"ido y puede también permitir el desarrollo de estructuras metalúrgicas defectuosas. Dn rango eficiente se muestra en el siguiente cuadro :ipos de hornos 0orno de cámara alimentadora por gas sin precalentamiento del aire 0orno de cámara para calentamiento de tocho con precalentamiento de aire 0ornos del tipo cin empujador 0ornos de ciclo fijo 7hornos de calentamiento continuo8
ficiencia de calentar Aeff>As,+ R(H
(2RH3 H3R$% $3RK%
ebe notarse que los hornos radiantes tienen la *entaja de poder calentar bastante bien las partes con formas irregulares y requieren poco tiempo de ajuste para corridas cortas. =egunda forma. Dn método de calentamiento ampliamente utili#ado es el calentamiento por inducción eléctrica.
Dtili#ando un buen conocido principio f'sico de que una que una corriente pasa a tra*és de una barra induce una corriente dentro de la barra, el calentamiento por inducción utili#a una corriente alterna de alta frecuencia para inducir suficiente corriente para calentar la barra a temperaturas de forja. &ualquier material conductor de la electricidad se puede calentar por inducción, el tamaño es una función de material y la frecuencia de oscilación. La f'sica del método dicta que el calor es generado primero en la superficie de la barra.
l calentamiento por inducción es relati*amente rápido y se puede utili#ar para calentar tochos relati*amente grandes hasta de pulgadas o más en aplicaciones especiales. =e debe obser*ar ciertas precauciones al seleccionar la frecuencia del calentamiento y la *elocidad de alimentación a tra*és de las bobinas de inducción. Dna frecuencia demasiado alta con un periodo de inmersión corto produce lo que parece ser una salida de calefactor alta. La mayor'a de los tochos sin embargo no estar'an uniformemente calentados en el centro. l control de la temperatura en los sistemas de calentamiento por inducción usualmente es bueno. La salida es consistentemente calentada y la temperatura de salida es usualmente monitoreada por un sensor de temperatura óptico. &uando se detecta *ariaciones, la mayor'a de los sistemas de calentamiento permiten que los tochos incorrectamente calentados sean recha#ados. La formación de escamas en los sistemas de calentamiento por inducción generalmente no es un problema las unidades incorrectamente ajustadas o diseñadas que tienen una frecuencia demasiada alta o tiempo de precalentamiento e"cesi*o puede producir una formación e"cesi*a de escamas. :ercera forma ;tro sistema de calentamiento es el calentamiento por resistencia eléctrica. stá basado en el principio de que una corriente eléctrica que pasa a tra*és de un
alambre resulta en un incremento de la temperatura del alambre, un ejemplo común es el foco incandescente. Los aparatos de calentamiento por resistencia eléctrica hacen pasar un bajo *oltaje y un alta corriente a tra*és d la pie#a de trabajo o tocho fijado entre dos electrodos. E medida que la corriente fluye a tra*és del tocho, la resistencia del tocho pro*oca que la temperatura se incrementa rápidamente desde el centro hacia afuera. Los calentadores de resistencia utili#an una serie de controles que incluyen tempori#adores de ciclo para la aplicación inicial de la corriente y el tiempo de precalentamiento. l tiempo de precalentamiento se requiere para permitir que el calor sea uniforme distribuido sobre la longitud de la barra, demasiada corriente o una corriente aplicada durante mucho tiempo pueden pro*ocar que los e"tremos de las barras se quemen. n el calentamiento por resistencia el control de temperatura normalmente es bueno. =e utili#an sensores de temperaturas simples para asegurarse que la temperatura de la barra se encuentra en el rango correcto. &uando se requiere, se puede utili#ar sensores más a*an#ados para un control más cerrado. =in embargo los e"tremos fr'os, pueden ser un problema, y cuando estos se presentan, usualmente se requiere alguna tolerancia en el dado. La formación de escamas no es un problema con la resistencia debido a que es un proceso rápido y es adecuado solamente para tamaños de barras relati*amente pequeñas que son menores de H pulgadas. La remoción de escamas antes del calentamiento es necesario para asegurar un buen contacto de los electrodos del tocho. e la misma manera se requiere e"tremos con formas cuadradas y pequeñas distorsión ya que esto afecta también a la fijación de las pie#as.
!reformado l preformado se define como aquellas operaciones de formado del metal que precede de las operaciones de formado de la rebaba. stas pueden estar en el dado de los martinetes, o ejecutadas en pie#as au"iliares de equipo. )ara una referencia rápido, los siguientes se pueden considerar como pasos para el preformado. n el dado. • • • •
)erfilado stirado ?olado Eplanado
• •
oblado Laminado
)rocesos au"iliares • • • • •
?olado reductor ?olado trans*ersal ?ecalcado ?olado de anillos Laminado
4ustin2 8 *lo9in2 stos procesos son las primeras impresiones de formación de la rebaba y está diseñada para distribuir el metal para la operación de acabado. =u diseño es cr'tico para el é"ito de la operación de acabado y para la *ida de las herramientas.
Terminado sta es la operación final de formación de la rebaba que da a la parte el tamaño y la forma finales. Equ' es donde se aplica los detalles finales como por ejemplo los logotipos de las marcas registradas.
Corte La operación de corte remue*e todo el e"ceso de rebaba de la forja terminada, normalmente es una simple operación de ci#allado o pun#ones. l corte puede ser complicado porque puede inducir una distorsión no deseable an la parte, en ese caso se deben tomar medidas especiales para eliminar o pre*enir estos problemas.
A#u:ado l acuñado o calibración es un proceso donde reduce las tolerancias en la forja terminada. l acuñado, como su nombre lo dice, produce muy pequeñas deformaciones y normalmente se lle*an a cabo localmente, no sobre la parte completa. l proceso puede ser en caliente o en frio, puede ejecutarse junto con el corte o como una operación terminada. n la industria de las herramientas manuales, por ejemplo, el acuñado en frio es a *eces utili#ado para aplicar el nombre de la marca comercial a la parte terminada, esto en la mayor'a de las *eces es reali#ado por cuestiones estéticas ya que la información aplica en frio es más precisa y más fácil de leer para el consumidor. )rocesos au"iliares
stas son operaciones especiales de formado que no puede ser reali#ado durante la forja. )or ejemplo, un eslabón de reparación de una cadena puede tener elementos de diseño en un plano perpendicular en la cur*a del eslabón. )uede no ser posible forjar ambos elementos pero la forma deseada puede ser doblada en frio para obtener la forma correcta del eslabón. ;tro ejemplo es un bra#o de la palanca de *elocidades de un automó*il, esta palanca tiene demasiadas compensaciones para ser forjada en la posición cur*a. )or lo tanto se forja en forma recta y se dobla en una operación au"iliar después del corte mientras aún está caliente. )or lo tanto, se forja en forma recta y se dobla en una operación au"iliar después del corte mientras aún está caliente. =e sigue entonces una operación de acuñado en caliente para asegurar la tolerancia de compensación correcta.
FUNDA7ENTO DE LA 7ETALUR+IA La metalurgia es la ciencia que trata con la preparación y aplicaciones de los metales y aleaciones. La metalurgia se clasifica en tres grandes grupos5 •
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Metalurgia Au'mica6 s la rama de la materia que trata de la reducción de los metales desde sus minerales y la refinación y aleación de tales metales. Metalurgia f'sica6 s la rama de la materia que trata con la naturale#a, estructura y propiedades f'sicas de los metales y aleaciones. Metalurgia mecánica6 esta parte de la rama trata del trabajo y formación de metales y aleaciones, tales como fundición, forja, rolado y reducción.
stas ramas están muy 'ntimamente relacionadas entre s' y cada una tiene su influencia sobre la calidad del producto terminado.
7anufa#tura del 1ierro ' a#ero l hierro y el acero son probablemente los materiales de ingenier'a más comunes para la construcción de maquinarias o para productos de forjado utili#ados en los automó*iles, aerona*es, barcos, motores, transmisiones, tuber'as, herramientas, manuales y otros productos. ebido a esto es que tan importante grupo de metales y aleaciones, será interesante *er como son producidos y procesados para uso industrial. La materia prima para el hierro y el acero es el mineral de hierro. n los estados unidos, elñ rango del contenido del hierro en el mineral de hierro *a desde el JH+
hasta un porcentaje tan bajo que es el H3+. l resto del mineral contiene o"'geno, agua, carbonatos, a#ufre, fosforo, manga necio, silicio y rocas sin *alor. l mineral normalmente se beneficia para remo*er tanto como sea posible del contenido sin *alor por medio de la separación o disolución de los constituyentes no deseados. espués es pele ti#ado y el embarcado a la siderúrgica para su proceso posterior.
Ti"o e identifi#a#i-n de los a#eros #omunes l acero en realidad es hierro al que se le agregan algunos otros constituyentes elementales estos son5 &arbono5 es la adición más simple y tal *e# la más importante para fabricar el acero. l rango de contenido de carbón para los acero más comerciales *an desde %.%2+ al %.3+. l carbono es importante debido a que a porcentajes muy pequeños de este puede traer como resultado grandes diferencias en propiedades. Los aceros de bajo carbono no responden al tratamiento térmico en ningún grado significati*o. Los aceros de carbón medio, esto es, aquellos con %.H+ mas carbón, pueden ser templados y la tenacidad del acero se incrementa del 3% al (%%+. Los aceros de alto carbón son diseñados para aplicaciones que requieren una dure#a muy alta, retención de filos de corte, o para partes que requieran alta dure#a. n estos aceros, un porcentaje adicional de %.K+ de carbón resulta en un incremento del 3% al J3+ de resistencia y dure#a. =ilicio 7=i85 s un elemento que está presente desde el proceso de refinación. La mayor'a de los aceros contienen desde un %.H hasta un %.$3+. El silicio ayuda a mejorar la ductilidad.
Manganeso 7Mn85 sta normalmente presente con al menos (.3+ y contribuye a la resistencia y dure#a en un menor grado que el carbono. !o se separa durante el enfriamiento y tiende a minimi#ar la formación de sulfuros de hierro que pueden degradar el metal. Fósforo 7)85 E *eces es considerado una impure#a e"cepto cuando se desea su efecto benéfico sobre el maquinado o la resistencia a la corrosión atmosférica. :iende a reducir la ductilidad y tenacidad y por tanto normalmente se mantiene a un ni*el m'nimo por abajo del %.%$3+ E#ufre 7=85 !ormalmente se le considera un elemento no deseado e"cepto donde la maquinabilidad es una consideración primordial. Equ' los sulfuros actúan como rompe *irutas. Los sulfuros también reducen la ductilidad y la resistencia al impacto. l sulfuro 7sulfuros8 también se agregan significati*amente en la solidificación y frecuentemente ocurren en los l'mites de grano. &uando el a#ufre está presente en concentraciones por arriba del %.%K+, las concentraciones de los l'mites de grano pueden ser una causa de fracturas en las l'neas de corte. Más aun, los aceros con alto contenido de a#ufre son más sensibles al sobrecalentamiento. )or lo tanto los forjadores deben ser muy cuidadosos cuando calentamiento para la forja.
Eceros de aleación R tienen otros elementos aleables agregados adicionalmente a aquellos que se encuentran en los aceros al carbón. ntre estos están5 !'quel 7!i85 es uno de los elementos aleables fundamentales del acero. &uando está presente en cantidades considerables 7%.$ a H.% +8 proporciona entre otras *entajas, tenacidad mejorada, particularmente a bajas temperaturas, resistencia mejorada a bajos ni*eles de carbón sin tratamiento térmico6 procedimientos de tratamientos térmicos simplificados y más económicos6 menos distorsión en el enfriado y resistencia a la corrosión mejorada. &romo 7&r85 =e utili#a en los aceros de ingenier'a principalmente para incrementar la profundidad de templado, proporcionando resistencia a la abrasión mejorada y para promo*er la carburi#ación. Molibdeno 7Mo85 :iene un gran efecto sobre la templabilidad por unidad de adición que cualquier otro elemento aleable6 es útil cuando se desea un control preciso de la templabilidad6 tiene un poderoso efecto para incrementar la tensión de temperaturas altas y las pruebas de fluencia en las aleaciones ferrosas 6 cuando se agrega a los aceros con alto cromo o con aceros resistentes a la corrosión de cromoRn'quel, la resistencia de los aceros a muchas formas de ataque corrosi*o se mejora grandemente, y el molibdeno hace a los aceros menos susceptibles a la fragilidad de re*enido. /anadio 7*85 es utili#ado para refinar el tamaño del grano y para mejorar el balance de propiedades mecánicas y otras propiedades especiales. l *anadio se encuentra en los aceros para resortes, placas de acero, y aceros de alta temperatura.
A#eros 2rado 1erramentales =on composiciones de acero especiales que cumplen las demandas de las herramientas de formado y corte. &ada uno de estos materiales ha sido especialmente diseñado para proporcionar propiedades especiales. stán designados por el tipo de medio de enfriamiento utili#ado o por una letra que indica el área de aplicación, estos incluyen.
esignación E
escripción :emplado el aire, alta estabilidad dimensional, para el trabajo en frio :emplado al aire, alta estabilidad dimensional, e"celente resistencia al
Dso ados de formación de la forma 7blacZ8, dados de corte, dados de acuñación Los mismos que los anteriores con la adicion de dados de e"trusión y dados
[ =
; L 0
M
desgaste, para el trabajo en frio. Ecero de carbono sin aleación, templado en agua, alta resistencia y dure#a. :emplado en agua, aleación de molibdeno, acero e"tremadamente tena# para trabajo en frio. :emplado de aceite, aleaciones de alto manganeso, alta dure#a para trabajo en frio :emplado de aceite, alta tenacidad, aleación, cromoR niquel para trabajo en frio. Eceros grado herramienta para trabajo en caliente con adiciones de cromo molibdeno y *anadio para trabajo en caliente. Eceros de alta *elocidad con adiciones de cromo, molibdeno, tungsteno y *anadio para buena dure#a y resistencia al desgaste para altas temperaturas
de reducción. Macho para roscar, escariador, dados de formación de la forma. ados de corte, dados formadores y de acuñado de trabajo pesado, herramientas de impacto ados formadores, dados de corte )un#ones, dados de formación, dados de laminado ados de forja, dados para forja en caliente con impreciones profundas, dados de pun#onado en caliente. 0erramientas de corte para tornos, taladros, fresadoras, machuelado, etc. )ueden usarcé para insertos de herramientas donde e"iste calor
Tama:o de 2rano :amaño de grano es una medida del tamaño relati*o de los granos o cristales que forma el metal. :odos los metales tienen una estructura cristalina. E medida que el metal se calienta, los granos crecen ligeramente hasta que ocurre la transformación. ntonces los granos se rompen en granos muy finos. stos crecen rápidamente y su tamaño má"imo está determinado por el tiempo en que están a temperatura ele*ada. Los granos son importantes para las operaciones de forja, porque los granos grandes se forman más fácilmente que los granos finos. =in embargo, los aceros con granos finos tienden a tener mejores propiedades durante el enfriamiento. La mayor'a de los aceros que se calientan rápidamente, mantienen una estructura de grano fino. l tamaño de grano resultante después
de la forja es una función de la *elocidad de enfriamiento. Los aceros enfriados lentamente tienden a tener un tamaño de grano mayor que aquellos que se enfr'an más rápido. s de esperarse que las partes pequeñas que se enfr'an rápidamente tengan un tamaño de grano pequeño.
!ROCEDI7IENTO DE FORJA DEL 7ARTILLO A&; EN LA CELULA CECO <= Indu##i-n del martillo A&; escripción5 ( &oloque los tochos y llene el alimentador del horno de inducción. H ncienda el horno de inducción y el ciclo automático de alimentación de tochos hacia el horno.
$ Las pie#as deben salir con una temperatura de ((%%I& a (H%%I&, con un ciclo de $% segundos por tocho.
U! ET A&; escripción5 K Ebrir la presión del aire dirigido al barril y coloque el tocho dentro del barril.
3 Eccione el pedal para que baje la masa de la prensa una sola *e#.
Ecciónelo nue*amente para terminar el conformado de la pie#a y saque la pie#a del barril.
J /erifique que la preforma tenga la cupla con las siguientes especificaciones de diámetro má"imo del up set 7(o#S $.N VR .%3N, H%o#S $.2NNVR.%3NN, HHo#S $.NNVR.%3, H2o#S K.(NNVR.%3NN8.
2 Limpie y lubrique el barril después de cada pie#a echa.
Rolado A&; escripción5 =ujete la preforma obtenida del up set de la parte de mayor diámetro 7cabe#a de la preforma8.
(% ntrodu#ca la pie#a entre los rodillos de i#quierda a derecha pasando la pie#a por los K canales, pasándolo una *e# en el canal (, una *e# en el canal dos, $ *eces en el canal $, y dos *eces en el canal K, girar la pie#a %I sentido horario para pasarlo por cada uno de los K canales.
(( eposite la pie#a en el horno de gas limpie los rodillos con grafito.
Forja A&; escripción5 (H &oloque y mantenga en el horno de gas má"imo 2 pie#as ya roladas. ($ :ome una pie#a por el lado de la flecha y sáquela del horno. (K l dado tiene $ moldes los cuales son mariposa preforma y finali#ado, el la figura que se *e a continuación nos muestra que el molde ( es el mariposa el H es la preforma y por último el $ es el finali#ado.
(3 Eccione el pedal una *e# en el molde mariposa.
( Eccione el pedal nue*amente en el molde de preforma.
(J Dna *e# más se accionara el pedal para el último pa#o el cual es el molde del finali#ado y *erifique que la pie#a tenga la forma deseada.
(2 Los diferentes tipos de E/- 7(o#, H%o#, HHo#, H2o#8 lle*an diferente presión de parte del martinete el cual se ajusta en su tablero de control y as' darle las presiones adecuadas y número de golpes para cada tipo de martillo E/-. ( stas son la presión y numero de golpes que están especificados de acuerdo a cada tipo de martillo 7la presión esta en L1>F:\U8.
E/-
ME?);=E
!o. e golpes
)?F;?ME
!o. e golpes
F!EL]E;
!o. e golpes
( o# H% o# HH o# H2 o#
$%%%
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Re#orte A&; escripción5 H% :ome la pie#a del banco para proceder con el recorte.
H( &oloque la pie#a en el recortador, accione el pedal una sola *e#.
HH :ome el sobrante del recorte y póngalo en el contenedor de scrap.
H$ ?ecoja la pie#a del troquel para formar la uña, *erifique que la pie#a salga bien recortada con el m'nimo de rebaba en la #ona de partición.
Forma#i-n #a(idad A&; escripción5 HK &oloque la pie#a en el primer troquel 7formado de uña8.
H3 Esegurece de retirar la YpepaY del herramental accione el pedal una sola *e#. H /erifique que la pie#a tenga la forma deseada. HJ &oloque la pie#a en el tercer troquel 7formador de cabe#a8.
H2 Eccione el pedal una sola *e# y *erifique la pie#a que tenga la forma deseada. H :omar la pie#a terminada y colocarla en el contenedor de pie#as forjadas y asi para que un operador se las lle*e al siguiente proceso.
CONDICIONE DE LA 7A6UINA DE FORJA Ecá *eremos las condiciones que deben tener las máquinas de forja para poder reali#ar el martillo E/- 7 one piece 8, las cuales son necesarias 2 máquinas las cuales son el horno de inducción automati#ado, =: D), el rolado, el horno de gas, el martinete, recorte flash, primer troquel 7formar la uña8 y segundo troquel 7formar el cilindro8. :ambién hay que considerar la *ida de los herramentales que utili#an cada máquina que a continuación *eremos cuales tienen que ser sus condiciones y cada cuanto hay que hacer cambio de los herramentales.
0orno de inducción. l horno deberá tener una temperatura de 7((%% a (H%%8 I&. :iempo de ciclo es de $% seg. )anel de control condiciones de *oltaje y amperios que deben tener.
MEM!
MEM!
/oltaje + K. .H
?ango 2J3 / ((H3/
n O[ + K( 3H.
Emprs + (((.$ (H%.K
?ango (3 O[ (2% O[
?ango KH% E KH E
)anel de control del horno de inducción automati#ado.
U! ET l up set es una maquina tipo prensa en la cual lle*a una herramienta llamada barril, son las cuales se encargan de darle la forma del tocho en un forma de hongo. )ara cada tipo de martillo E/- lle*a un tipo diferente de barril porque cada barril tiene diferentes diámetros. La máquina que se usa para este proceso es una prensa *enson. :iempo de ciclo de H% segundos. Los rendimientos de cada barril son los siguientes. /ida útil de cada barril 7!o. de pie#as8 es de $, 2J$. =e rectifican cada 3, 3%% a K%%% pie#as.
)recio al proceso el recalentado de los barriles debe de ser de H%%I& a $%%I&. n el D) =: debe lle*ar una calibración en el centrado del barril dependiendo de cada modelo de martillo, porque sus distancias y centrados son diferentes en cada modelo. stas son las distancias que deben lle*ar en cada modelo de martillos.
ME?:LL;= E/H2 o# HH o# H% o# ( o#
E (.3%$^^ (.K33^^ (.KJ(^^ (.K$^^
1 K.2%^^ 3.%$^^ 3.%$%^^ 3.%J%^^
Rolado s una máquina que tiene una herramienta llamada rodillos las cuales se encargan en rolar el hogo salido del up set, esta máquina gira a unas 3% ?)M. &ada rodillo debe ser roseado por grafito cada *e# que se haya echo un rolado para que el material se desplace bien y no se pegue el acero, y también para que tenga más *ida los rodillos. Los rodillos tienen una *ida de K%,%%% pie#as. :iempo de ciclo de $% segundos. ados _ parte ( o# H% o# HH o# H2 o#
FE- %%%% FE- %%%% FE- %%%% FE- %%%%
Horno de 2as l horno solo se encargara de mantener una temperatura de la pie#a de ((%%I& a (H%%I&. l horno de gas debe de tener una temperatura de ($%%I& a (K%%I&. l ciclo es de $% segundos.
7artillo l martinete también llamado como ceco H$, se llama asi porque su capacidad de presión por golpe es de H$,%%% L1>F:\, este martinete utili#a un am*il y un ram los cuales sostienen el dado. l dado es donde tiene la figura grabada para poder forjar la pie#a que necesitemos. ste martinete funciona con presión de aire, el cual tiene su compresor y su tanque de aire para que cada *e# que se accione el pedal habrá una *ál*ula y libere el aire a presión. La ram que está unido con el dado es el que está sujeto con el pistón eso quiere decir que el da el golpe y el am*il es el que está sujeto con el dado inferior anclados para recibir el golpe del dado superior junto al ram. 0erramental del martillo n el martillo lle*a herramental llamados dados los cuales son los que lle*an la figura del martillo, estos recibe los golpea que pro*oca el martillo al ejercer presión del pistón y el cual lle*a dos dados el superior y el inferior uno unido al ram el cual es el superior y el otro que lle*a el am*il.
)or cada golpe recibido hay un desgaste y poco a poco *a deformando la figura de la pie#a a forjar, estos herramentales o dados tienen una *ida de %,%%% pie#as y se tiene que rectificar cada K,%%% a 3,%%% pie#as para asi poder sacar el martillo en buenas condiciones y cumplan los requisitos de calidad.
&ortador stas herramientas que lle*an el los troqueles se di*iden en dos partes en la cual una es el pun#ón y otra es el recorte
