INTRODUCCION Aunque es el oro el primer metal que el hombre descubre y llega a trabajar, la historia nos confirma que el hierro tiene desde hace miles de años una gran importancia para el ser humano. En la Edad Media era cada vez mayor la demanda de aplicaciones de hierro (sobre todo armas y armaduras debido al continuo guerrear) tanto fue así, que empezaron a surgir especialistas que conseguían mayor precisión y calidad. Algunos en la construcción de armas, otros en rejas, soportes y elementos de apoyo a la construcción, herraje de animales, carruajes, etc. El oficio de forjador, fue evolucionando hasta el inicio de la Revolución Industrial, donde se empezó a requerir mayor producción con menor coste. Esto produjo que algunos talleres cambiaran su sistema de trabajo para adaptarse a unas necesidades menos artesanales, otros sin embargo, siguieron fieles a las técnicas tradicionales. La forja es tal vez el método más antiguo de trabajo de los metal es un proceso de conformado de metales y aleaciones que consigue sometiéndolos a grandes presiones aplicadas de forma continua o intermitente. Se aplica generalmente en caliente, las superficies con las que se comprime el material se denominan dados, este proceso de fabricación se utiliza para dar una forma y unas propiedades determinadas a los metales y aleaciones a los que se aplica mediante grandes presiones. La deformación se puede realizar de dos formas diferentes: por presión, de forma continua utilizando prensas, o por impacto, de modo intermitente utilizando martillos pilones. Hay que destacar que es un proceso de conformado de metales en el que no se produce arranque de viruta, con lo que se produce un importante ahorro de material respecto a otros procesos, como por ejemplo el mecanizado. La forja ¿Por qué la forja es tan utilizada? Desde los comienzos el trabajo en metales ha asegurado la resistencia, la dureza, la fiabilidad, y la calidad más alta en una variedad de productos. Hoy, estas ventajas de componentes forjados asumen la importancia mayor como temperaturas de funcionamiento, cargas, y el aumento de esfuerzos. Los componentes forjados hacen posibles diseños que acomodan las cargas más
altas y esfuerzos. Avances recientes en la tecnología de la forja han aumentado enormemente la gama de propiedades disponibles en forjas Económicamente, los productos forjados son atractivos debido a su inherente fiabilidad superior, capacidades de tolerancias mejoradas, y la eficacia más alta con la cual las forjas pueden ser trabajadas a máquina y procesadas por métodos automatizados. El grado de fiabilidad estructural alcanzada en una forja es poco comparable con cualquier otro proceso de trabajo en metales. No hay bolsillos internos de gases o vacíos que podrían causar el fracaso inesperado bajo tensión o impacto. A menudo, el proceso de forja ayuda en el mejoramiento de la segregación química gracias a la acción de la forja de mover el material a varias posiciones
FORJA Es un método de manufactura de piezas metálicas, que consisten en la deformación plástica de un metal, ocasionada por esfuerzos impuestos sobre él, ya sea por impacto o por presión. En el proceso, el metal fluye en la dirección de menor resistencia, así que generalmente ocurrirá un alargamiento lateral al menos que se le contenga. El grupo de metales más importantes lo constituyen el acero y sus aleaciones, ciertos materiales no ferrosos, como el aluminio y sus aleaciones. 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.
En ciertas ocasiones la forja libre y la forja cerrada se pueden combinar favorablemente, por ejemplo, en la producción de piezas de precisión, es muy común preformar primera el metal en matriz abierta, dándosele después el acabado final en estampas cerradas. Es raro usar las partes forjados tal y como se les produce, en general se les termina primero quitándoles las rebanados a las piezas (desbarbado), con una matriz de corte que no siempre está integrada a la máquina de forja y después se proporciona el acabado requerido mediante los procesos de maquinado comunes. Cabe mencionar que existen dos clases de forjado el denominado en caliente, que se realiza arriba de la temperatura de recristalización y el llamado forjado en frío que se efectúa por debajo de esta. Las piezas forjados se emplean ampliamente en herramientas de mano, partes de automóviles, caimanes, ferrocarriles, en la industria aeroespacial y muchas otras. Algunas de sus características técnicas más sobresalientes se numeran a continuación: Integridad estructural: La forja elimina las bolsas de gas internas y otras inclusiones de metal, que podrían causar fallas no predecibles en piezas sometidos a esfuerzos o impactos elevados. Alta resistencia y tenacidad: Mediante la orientación adecuada de las fibras del metal, la forja desarrolla la máximo resistencia posible al impacta y a la
fatiga, dando a demás a la pieza la ductilidad necesaria para resistir fallas baja impactos inesperados. Bondad de configuración: Muchas de las piezas forjadas se pueden producir aproximadamente a la configuración final estipulada, reduciéndose a un mínimo la necesidad de un maquinado posterior. Uniformidad de las piezas: Es posible obtener piezas que exhiban una amplia gama de propiedades físico mecánicas, dependiendo de los materiales, aleaciones y tratamientos térmicos. Ahorro de peso: La alta resistencia que puede ser desarrollada en las piezas forjados por la adecuada orientación del flujo de fibras, refinamiento de la estructura cristalina y tratamiento térmico, les permite tener en muchas ocasiones un peso más reducido que las piezas fabricadas con otros procesos. Economía al combinar varias partes de una sola forma: Mediante la forja, se pueden producir piezas de configuración geométrica muy complicada que en otro caso tendrían que elaborar mediante el ensamble de varias partes. Esto permite tener un considerable ahorro en la producción al evitar costosas uniones de soldaduras, remaches. TIPOS DE FORJA FORJA LIBRE Es el tipo de forja industrial más antiguo y se caracteriza porque la deformación del metal no está limitada (es libre) por su forma o masa. Se utiliza para fabricar piezas únicas o pequeños lotes de piezas, donde normalmente estas son de gran tamaño. También puede encontrarse como forja en dados abiertos
FORJA EN CALIENTE Aparentemente el proceso es sencillo, es decir, calentar el metal y de uno o dos golpes forzarlo a llenar la cavidad del dado. En realidad, el metal esta muy
lejos de ser líquido, por lo tanto, no fluye tan fácilmente a las cavidades de la matriz. Así que, para forjar piezas, excepto aquellas de forma sencilla, es necesario tener en cuenta lo siguiente: Cortar y preformar la pieza. El corte se puede hacer con sierra a cizalla y preformada con una prensa de forja. Se utiliza el preformada cuando la pieza a forjar tiene una geometría complicada a su pesa unitaria es relativamente alta, con esta operación se modifica la configuración inicial del metal, facilitando así su forjado final, requiere además de un calentamiento inicial. Calentar un trozo de metal cortado y/o preformado en hornos de tipo eléctrico, de resistencia, de inducción, de alta frecuencia o de combustible líquido o gaseoso. Los aceros (incluyendo el acero inoxidable) son calentados aproximadamente a 1230 °C, en cambio, el aluminio se calienta a 425 °C. Esta fase de calentamiento se requiere a pesar de que el metal haya sido previamente calentado para su preformado. La pieza ya caliente, se coloca en la matriz de la prensa o martinete. Dependiendo de su forma o tamaño y complejidad será el numero de pasos y cavidades de la matriz, donde proporcionalmente se le ira dando forma al producto. Cuando la pieza ha sido formada, pasa a unas prensas cortadoras de menor capacidad, para en efectuar en ellas el desbarbado. Se debe realizar inmediatamente después del formado final para aprovechar la elevada temperatura de la pieza y hacer el corte con una fuerza menor. Una vez que la pieza se ha forjado y desbarbado, se le somete normalmente a un tratamiento térmico con el propósito de aliviarle esfuerzos originados por la deformación y reducir la dureza en caso de aceros de alto contenido de carbón. Los métodos más usuales para ablandar el acero son el recocido y el normalizado. Las partes hechas por el proceso de forja en caliente, pueden pesar desde 200 grs. hasta 2 toneladas, sin embargo, la mayoría de las piezas pesan de 2 a 50 Kg.
Con respecto al paso No.1 (cortar y preformar la pieza) es conveniente enfatizar que la mayoría de las piezas forjadas requieren de un preformado también en caliente, este debe enfocarse a la formación de "bolsas" de material en las zonas donde el producto final tendrá mayor sección transversal. Ventajas
Las fuerzas requeridas para deformarlo son menores
El material tiene buena soldabilidad y maquinabilidad.
Se elimina la porosidad del metal.
Desventajas
Existe una rápida oxidación o escamado de la superficie por lo que no es posible manejar tolerancia estrechas.
Se produce un alto consumo de energético.
FORJA ABIERTA O DE HERRERO. Este tipo de forja consiste en martillar el metal caliente ya sea con herramienta manuales o entre dos plano en un martillo de vapor. La forja manual, como la hecha por el herrero, es la forma más antigua de forjado. La naturaleza del proceso es tal que no se obtienen tolerancias cerradas, ni pueden hacerse formas complicadas. El rango de forjado por forja abierta, va desde unos cuantos kilogramos y sobrepasa los 90 mg. FORJA EN FRIO Es un proceso mediante el cual el material se trabaja en temperaturas de inferiores a la de austenización y en temperatura ambiente, este tipo de trabajo es empleado para trabajos con acabados más precisos y de mejor estética que el trabajo en caliente, pero para trabajar el material en estas condiciones se debe emplear más cantidad de trabajo y energía que la forja en caliente
ESTAMPADO El estampado difiere de la forja con martillo en el que se usa más bien una impresión cerrada que dados de cara abierta. La forja se produce por presión o impacto, lo cual obliga al metal caliente y flexible a llenar la forma de los dados, en esta operación existe un flujo drástico del metal en los dados causado por los golpes repetidos sobre el metal. Para asegurar el flujo propio del metal durante los golpes intermitentes, las operaciones se dividen en un número de pasos. Cada paso cambia la forma gradualmente, controlando el flujo del metal hasta que se obtiene la forma final. El número de pasos requeridos varía de acuerdo al tamaño y forma de la pieza, las cualidades de forja del metal y las tolerancias requeridos. Para productos de formas grandes y complicadas, puede requerir usar más de un juego de dados. Las temperaturas aproximados del forjado son: acero de 1100 a 1250 °C.; cobre y sus aleaciones de 750 a 925° C.; magnesio 315° C. y aluminio 370 a 450° C. la forja de acero en dados cerrados varía en tamaño desde unos cuantos gramos hasta 10 mg. Los dos principales tipos de martillos de estampado son el martinete de vapor y el martinete de caída libre o martinete de tablón. En el primero, el apisonador y el martillo son levantados por vapor, y la fuerza del golpe es controlada por el estrangulamiento del vapor. En el martinete del tipo de caída libre, la presión de impacto es desarrollada por la fuerza de caída del apisonador y el dado cuando golpea sobre el dado que esta fijo.
En general, todas las piezas forjadas están cubiertas con escamas y deben limpiarse, esto puede hacerse por inmersión en ácido, granallado, o con arena dependiendo del tamaño y composición de la pieza. Las ventajas de la operación de forjado incluyen una fina estructura cristalina en el metal, la eliminación de cualquier vado, un tiempo reducido de maquinado, e insuperables propiedades físicas. La forja es adaptable a aceros aleados y el carbón, hierro dulce, cobre, aleaciones ligeras, aleaciones de
aluminio y aleaciones de magnesio. Sus desventajas abarcan las inclusiones de escamas y alto costo de los dados que los hacen prohibitivo para trabajos de series pequeñas. El alineamiento de los dados es algunas veces difícilmente de mantener y debe tenerse mucho cuidado en su diseño para asegurar que no ocurran grietas durante el forjado debido al plegado del metal durante la operación. Las estampas de forja tienen un gran número de ventajas sobre los dados abiertos de forja, incluyen una mejor utilización del material, mejores propiedades físicas, tolerancias más cerrados, altos ritmos de producción y requiere menor habilidad del operador. FORJADO EN PRENSA Las prensas de forjado emplean una acción lenta de compresión deformando el metal plástico, contrariamente al rápido impacto del golpe del martillo. La acción de compresión es mantenida completamente hasta el centro de la pieza que se está prensando, trabajando a fondo la sección completa. Estas prensas son del tipo vertical y pueden ser operados ya sea mecánica o hidráulicamente. La presión necesaria para formar el acero a temperatura de forja varía desde 20 hasta 190 Mpa. Tales presiones están basadas en la superficie de la sección transversal de la pieza forjada cuando esta se mide sobre la línea de partición del dado. En el forjado en prensa una mayor proporción del trabajo total puesto en la maquina es transmitida al metal en una prensa de martillo de caída libre, ya mucho del impacto del martillo de caída libre es absorbido por la máquina y su cimentación. La reducción del metal con prensa es más rápida, y el costo de operación consecuentemente menor. La mayoría de las prensas de forjar son de formas simétricas con superficies que son totalmente lisas, y proporcionan unas tolerancias más cerrados que las obtenidos con un martillo de caída libre. Sin embargo, muchas piezas de formas irregulares y las complicadas pueden forjarse más económicamente por forja abierta. Las prensas de forjado se usan frecuentemente para operaciones de calibrado sobre partes hechas por otros procesos.
FORJA HORIZONTAL El forjado horizontal implica la sujeción de una barra de sección uniforme en dados y se aplica una presión sobre el extremo caliente, provocando que sea recalcado o formado según el dado. La longitud de la barra que será recalcada no puede ser mayor de dos o tres veces el diámetro, pues si no el material se doblara en vez de expandirse para llenar la cavidad del dado.
Para algunos productos la operación principal puede completarse en una posición, aunque en la mayoría de las piezas es progresivamente colocada en diferentes posiciones del dado. Las impresiones pueden estar en el punzón, en el dado fijo o en ambos. El
penetrado
progresivo,
o
desplazamiento
interno
es
el
método
frecuentemente empleado en máquinas de forjado horizontal para producir partes tales como: Cascos de artillería y cilindros de máquinas radiales. Con el objeto de producir más formas masivas por este método, ha sido desarrollada una maquina horizontal continua. Esta puede alimentar barras de acero calentadas por inducción a la cavidad del dado en donde rápidos golpes del dado horizontal o si no martillos exteriores y ajustables alcanzan a la pieza. Algunas de estas máquinas tienen un dado de forja horizontal hueco de longitudes tan largas con las cuales pueden producirse formas de sección transversal constante. FORJA POR LAMINADO Las máquinas para forja por laminado son primeramente adaptadas para operaciones de reducción y conificación sobre barras de acero de pequeña longitud. Los rodillos de estas máquinas no son completamente circulares sino cortados de un 25 a 75% para permitir la entrada de la materia prima entre ellos.
La porción circular de los rodillos se ranura de acuerdo con la forma que quiera darse cuando los rodillos están en posición abierta el operador coloca la barra caliente entre ellos, reteniéndola con tenazas. Como los rodillos giran, la barra es agarrada por las ranuras de los mismos y empujada hacia el operador. Cuando los rodillos se abren, la barra es empujada hacia atrás y laminada de nuevo, o se coloca en la ranura contigua para la operación siguiente de laminado. Girando la barra 900 después de cada paso de laminado, no existe la oportunidad de formar rebabas. La forja por laminado se usa en una amplia variedad de piezas, incluyendo ejes, barras para propulsores de avión, palancas, hojas de cuchillos, cinceles, estrechado de tubos y extremos de muelles. Las piezas hechas de este modo tienen muy buen acabado de superficie y las tolerancias son iguales a otros procesos de forja. El metal es trabajado completamente en caliente y tiene buenas propiedades físicas. MÁQUINAS PARA FORJAR En la actualidad se producen piezas forjadas de gran tonelaje en prensas hidráulicas, las piezas mas pequeñas se forjan por medio de una gran variedad de métodos y maquinas. La forja abierta por impacto, la forja en matriz por impacto, el prensado, la forja por estampación y el recalcado Son los tipos que más comúnmente se aplican en manufactura. Antes de escoger una operación de forja en particular se debe hacer varias consideraciones. Martinete de vapor En esta máquina el apisonador y el martillo son levantados por vapor y la fuerza del golpe es controlada por el estrangulamiento del vapor, se obtienen hasta 300 golpes por minuto, su rango en la fuerza del golpe va de 2 hasta 200 KN, se diseñan en doble bastidor, con un cilindro de vapor ensamblado en su parte posterior que provee la potencia al apisonador. Para una pieza dada del apisonador un martinete de vapor desarrollara el doble de energía sobre el dado que la que podría obtenerse con un martinete de caída libre o tablón.
Martinete de caída libre El martillo es un adelanto tecnológico derivado del antiguo martinete ya mencionado. Los martillos de caída libre de actualidad utilizan generalmente vapor de agua o aire para incrementar la fuerza de golpe del martillo y para elevar el peso después de cada golpe. Las partes grandes como ejes de maquinaria que han de terminarse por maquinado que fabrican ordinariamente en forja abierta, aplicando golpes repetidos mientras se gira el metal caliente con tenazas con un manipulador. Este tipo de forja sigue, en esencia, el mismo principio que en la antigüedad, el metal se comprime o martillea para incrementar su longitud y disminuir su sección transversal, o bien, es recalcado, es decir, presionando en los extremos para agrandarlo, incrementando su diámetro y acortando su longitud. Hay un límite de tamaño para las piezas forjables por caída, pero, como se mencionó antes, se pueden conformar piezas muy grandes en prensas hidráulicas por el método de forja abierta. En la forja abierta los operadores del martillo de caída deben tener una destreza especial para dar la fuerza de impacto correcta. Cuando se emplean matrices, métodos que se conocen como forja en matriz, se incrementa la producción y se asegura la duplicabilidad de las piezas. Con frecuencia se usan dos o mas preformas o matrices progresivas cada una de las cuales contribuye con una aproximación hacia la formación final. Los martillos de calda libre requieren golpes repetitivos para llevar la pieza de trabajo a sus dimensiones finales, en tanto que las prensas mecánicas e hidráulicas, la parte forjada se puede hacer a menudo en uno o dos pasos de compresión. Ambos tipos de maquinas son adaptables a los procesos de forja automatizados. Prensas mecánicas Estas máquinas tienen un pesado volante de inercia que almacena energía para la carrera de forja. Las prensas mecánicas de este tipo tienen un eje excéntrico o manivela, que mueve el ariete hacia abajo y da la vuelta a la posición de partida cuando se acciona un embrague. La presión máxima se ejerce al final de la carrera. Un problema es la posibilidad de que el ariete se
atore cerca del final de la carrera en el punto muerto, pero la mayoría de las prensas mecánicas cuentan con un revelador que libera tanto al ariete atascado como a la matriz superior. La operación de estas máquinas es mucho más silenciosa, se controla con mayor precisión y se puede ejercer una fuerza mucho mayor en cada etapa de operación que con los martillos de forja por caída. Por esta razón, cuando una parte se tiene que fabricar con tolerancia más estrecha se prefiere la prensa mecánica. Con estas máquinas se requieren menos etapas por pieza forjada y el operador necesita menos destreza. Las prensas mecánicas, en lugar de golpear comprimen al metal caliente, con lo que se reduce el tiempo de contacto entre la pieza forjada y la matriz, prolongando así la vida de esta. Prensas hidráulicas Las prensas hidráulicas son más lentas, pero su ventaja radica en que pueden ejercer fuerzas de muchas toneladas para partes grandes. En lugar de pares mecánicos y mecanismos de manivela, la energía se lleva de la prensa al ariete mediante uno o más cilindros hidráulicos. Se bombea aceite a alta presión al interior de los cilindros y el ariete se mueve hacia abajo a velocidad constante. Otro conjunto de cilindros más pequeños sirve para
regresar al ariete a su
posición inicial. Algunas prensas hidráulicas pueden ejercer miles de toneladas de presión, haciéndolas ideales para forjar algunas de las partes más grandes. Conclusión La forja es un proceso de fabricación mecánica que implica energía fuerza precisa y fuerza bruta aplicada mediante la mano del hombre o por maquinarias de alto desempeño. La forja y sus diversos tipos son empleados en áreas, materiales y condiciones específicas para la creación de elementos alternativos y necesarios para las industrias y seres humanos. Se crean elementos más precisos y de alta calidad de dureza o flexibilidad, el esfuerzo puede ser aplicado rápida o lentamente. 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 es un factor de menor importancia. Es importante recalcar que no todos los tipos de forjado son actos para ciertos materiales de allí radica la importancia de catalogarlos y conocerlos a ciencia cierta.
