En general se menciona estos procesos cuando se tiene una parte inicial más voluminosa que laminar, y las deformaciones son significativas con referencia a su forma inicial.
Los procesos de deformación volumétrica que se describen en esta sección son: 1) laminado, 2) forjado, 3) extrusión, 4) estirado de alambre y barras. La sección también documenta las variantes y operaciones afines a estos cuatro procesos básicos que se han desarrollado a través de los años.
Estos proceso se pueden clasificar en: operaciones en frió o en caliente. Se realiza las operaciones en frió cuando la deformación no es tan significativa y se requiere mejorar las propiedades mecánicas de las partes con un buen acabado superficial. El trabajo en caliente se realiza cuando la deformación es significativa comparada con la parte original.
La importancia tecnológica y comercial de los procesos de deformación volumétrica deriva de lo siguiente:
· Con las operaciones de trabajo en caliente se pueden lograr cambios significativos en la forma de las partes de trabajo.
· Las operaciones de trabajo en frío se pueden usar no solamente para dar forma al trabajo, sino también para incrementar su resistencia.
· Estos procesos producen poco o ningún desperdicio como subproducto de la operación. Algunas operaciones de deformación volumétrica son procesos deforma neta o casi neta; se alcanza la forma final con poco o ningún maquinado posterior.
El Forjado:
Es un proceso de deformación en el cual se comprime el material de trabajo entre dados, usando impacto o presión gradual para formar la parte. Es la operación más antigua para formado de metales y se remonta quizá al año 5000 AC. En la actualidad el forjado es un proceso industrial importante mediante el cual se hacen una variedad de componentes de alta resistencia para automóviles, vehículos aeroespaciales y otros aplicaciones. Estos componentes incluyen flechas y barras de conexión para motores de combustión interna, engranes, componentes estructurales para aviación y partes para turbinas y motores a propulsión. Además, las industrial del acero y de otros metálicos básicos usan el forjado para fijar la forma básica de grandes componentes que luego se maquinan para lograr su forma fijan y dimensiones definitivas.
- Objetivo
El afino del grano se produce cuando se forja a golpes; los granos del metal se rompen en trozo más pequeños. Si el forjado se interrumpe antes de que la temperatura de re cristalización baje, el tamaño del grano crece, lo cual no conviene, ya que el afino del grano (disminución del tamaño del grano) conlleva unas mejoras de las propiedades mecánicas del metal.
Orientación de las fibras: Las fibras hacen variar las propiedades mecánicas del metal, mejorándolas en su dirección y empeorándolas perpendicularmente a estas. Por ello, la fibra debe orientarse en la misma dirección que la de los máximos esfuerzos. Sobre todo en metales con impurezas; los aceros muy puros evitan este debilitamiento.
Disminución de las sopladuras: el metal tiene unas pequeñas cavidades o vacios llamados sopladuras, los cuales desaparecen al forjado, ya que se produce un aplastamiento que suelda las paredes de dichas cavidades.
- Condiciones del forjado
Materiales: todos los materiales que tienen la propiedad de plasticidad, propiedad típicamente metálica, son forjables. Todos los aceros al carbono son muy forjables (están en forma de Austenita a la temperatura de forja. Pero no así las fundiciones (contienen Austenita y Cementita a la temperatura de forjado), ya que la Cementita no es forjable.
- Ciclo térmico de la forja
- Calentamiento del metal a la temperatura del forjado
- Temperatura de Forja
- Enfriamiento en la forja
- Estampación en caliente con forja mecánica
4.1 Martinetes
Los martinetes realizan la fuerza de compresión necesaria mediante golpes sucesivos. Principalmente constan de 3 partes: Los órganos de accionamiento, el yunque que se encarga de soportar la pieza, la maza que es la que golpea la pieza y puede ser de fundición o de acero y tener diversas formas. Su peso oscila entre 50 kilos y varias toneladas y se desliza entre dos guías en caídas de 1 a 3 metros. El accionamiento de la maza puede ser hidráulico, neumático, mecanico o de vapor.
Martinete hidráulico
El accionamiento de la maza se realizaba por medio de una rueda de levas movidas por un pequeño curso de agua. Actualmente ya no se emplean.
Martinete neumático
En los martinetes neumáticos la maza se mueve por la acción del aire comprimido. Hay dos clases de martinetes neumáticos: los auto compresores en los que el aire comprimido es un medio de transmisión de la energía del motor que acciona la máquina y los de martinetes de compresor, en los que la maza está unida por un vástago al pistón de un cilindro que recibe el aire comprimido de un compresor independiente.
Martinete de vapor
Los martinetes de vapor son similares a los martinetes neumáticos. Dentro del cilindro, el émbolo va unido a la maza por medio de un vástago.
Martinete mecánico
En estos martinetes el accionamiento de la maza se realiza por transmisiones mecánicas. Hay dos clases de martinetes: martinetes mecánicos de caída en los que la maza se levanta por medio de un mecanismo elevador y al llegar a una altura prefijada se deja caer por su propio peso y los martinetes mecánicos de ballestas en los que el accionamiento de la maza se realiza por un mecanismo de excéntrica, interponiendo en la transmisión una ballesta para absorber los golpes.
Deformación producida por los martinetes
Suponiendo que la maza de peso P (Kg) cae de una altura h (mm) produciendo una energía potencial E. Como parte de la energía se pierde por los rozamientos, la energía real estará en función del rendimiento energético φf. La superficie de contacto es S, la resistencia del material a la deformación Ϭf (kg/mm2), y la magnitud de deformación e
Así la deformación será: e = (φf P h) / Ϭf (S)
4.2 Prensas
En las prensas la comprensión del metal en la forja se produce por presión progresiva. Según el procedimiento de accionamiento se clasifica en:
Prensas de fricción
El esfuerzo deformador se obtiene de la energía cinética producida por el giro de un volante. El movimiento de giro del volante es transformado en movimiento lineal vertical de la maza por medio de un husillo. Como el volante puede girar en ambos sentidos, la maza puede bajar y subir. A igualdad de peso, las prensas de fricción son las mas potentes.
Prensas Excéntricas
La corredera o maza está accionada por un mecanismo de excentrica unida a un biela que transforma el movimiento circular del ejer accionado por un motor, en un movimiento de vaivén. Normalmente este tipo de presas se utilizan para la estampación en frío de la chapa. En la forma la unica prensa horizontal que se utiliza es la máquina de forjar, la cual se utiliza para trabajos en serie.
Prensas hidráulicas
Generalmente son verticales y estan formadas por la maza que tiene una carrera vertical, guiada por cuatro columnas e impulsada por un ámbolo por el interior de un cilindro por acción del agua o aceite. Suele ser frecuente ver prensas de hasta tres cilindros de impulsión. Se puede cambiar el número de los cilindros en servicios para cambiar la potencia de trabajo.
Estas prensas tambien consta de:
Cilindros de retroceso que impulsan la maza hacia arriba tras su descenso.
Cilindros esulsores que expulsan las piezas estampadas.
Bombas para la impulsión del agua o el aceite para el accionamiento de las prensas hidráulicas.
Acumuladores para mantener la presiones de trabajo necesarias, acumulan reserva de potencia.
Compresores de aire empleados para el accionamiento de los acumuladores hidroneumaticos.
Potencia generada por las prensas
La potencia total de la prensa está en función de la multiplicación de la sección del émbolo de trabajo por la presión, esto es: P= (Po x So)/S donde: P: presión ejercida por la prensa; Po presión del trabajo; So Sección del émbolo; S sección de la pieza.
Deformación producida por la prensa:
Las deformaciones que producen las prensas se calculan de la misma manera que las deformaciones producidas por los martinetes:
e = (φf P h) / Ϭf (S) donde F = φf S por lo que F = (φf P h) /e
Estampación en Caliente
La estampación en caliente tiene especial importancia en la forja mecánica y consiste en someter a un esfuerzo de compresión a un metal entre dos moldes de acero denominados estampas.
La estampa superior se denomina martillo y la inferior yunque. La estampa superior se fija en la corredera de la prensa y la inferior en la mesa. Cuando las estampas son de grandes dimensiones, van provistas de bulones guías, que las centran y absorben los esfuerzos axiales que se presentan en la estampación.
Materiales utilizados para fabricar estampas
Las estampas para la estampación en caliente deben tener:
1) Resistencia a la comprensión
2) Resistencia de choque
3) Resistencia al desgaste
4) Resistencia a las altas temperaturas.
5) Resistencia a la cortadura
Los únicos materiales que reunen estas cualidades son aceros con tratamientos térmicos, ya que la estampas de fundición sólo se utilizan para series inferiores a cien piezas y para estampar materiales blandos.
Normalmente se utilizan los aceros aleados, pues al tener mas templabilidad que los aceros al carbono obtener mayores resistencia en piezas de gran espesor y al templarlas en aceite se reducen las deformaciones y se evitan las grietas. Su construcción es muy costosa.
Fabricación de estampas
Se deben tener en cuenta:
La determinación de la preforma: Preforma es la cantidad de material que se coloca en la estampa, la cual, puede tener una forma definida. Cuando más se aproxime a la forma final de la pieza más facil sera la estampación.
Distribución de la preforma entrte las estampas:
Si la pieza a estampar tiene un plano de simetria longitudinal cada una de las estampas lleva la conformación de media pieza.
Cuando las piezas son asimétricas se procura distribuir el materia de tal manera que se favorezca su flujo.
Cuando las partes de separación de ambas partes de la pieza son inclinadas, las estampas se compesan con planos de sentido contrario, para anular las fuerzas laterales.
Previsión de salidas de la pieza: para facilitar la salidad de la pieza una ves estampada, las paradas de las estampas llevan unas inclinaciones de 5 a 10 grados, que además facilitan el flujo y el llenado.
Previsión de rebabas:
se pueden dar dos casos.
- Que se ponga menos material del necesario, con lo cual no se llena todo el hueco de la estampa y la pieza sale defectuosa.
- Que s ponga material es exceso, en cuyo caso las estampas no se cerrarán y la pieza quedará sobredimensionada, y se correrá el riesgo de que se rompa la estampa o se dañe la máquina.
Conformación escalonada: se debe tener en cuenta que los materiales a forjar están en estado plástico y no líquido, po lo que su fluencia esta limitada.
La conformación escalonada en una serie de estampas sucesivas va acercando la forma del material a su esta definitivo.
El acierto de la construcción de una estampa no sólo depende de que su proyecto sea correcto sino también de que su ejecución se realice adecuadamente.
Generalmente se parte de bloques de acero cuyas dimensiones guardan relación con el tamaño de la pieza que se va a estampar:
- Altura del bloque de 3 a 6 veces la profundidad del hueco.
- Anchura del bloque de 2 a 3 veces la anchura del hueco.
- Longitud del bloque = longitud de la pieza más 1.5 veces la profundidad del rebajdo sumado a cada extremo.
- Preparación de los bloque rectangulares o cilíndricos en cepilladores, limadoras o tornos puliendo la cara superior.
- Trazado de dibujo de la pieza sobre la cara superior.
- Tallado de los huecos según la forma de la pieza a estampar. Mediante fresadora, electro erosión, etc.
- Acabado de los huecos a mano con lima y rasquetas o herramientas rotativas portátiles.
- Taladro conjunto de las dos medias estampas y colocación de los bulones guías.
- Tratamiento térmico.
- Comprobación de cota y rectificado de la muela.
Respetando las siguientes reglas se lograrán mejores resultados y procesos más económicos:
- La línea de junta de la matriz debe estar contenida en un solo plano.
- La línea de la junta debe pasar por el centro de la pieza y no junto al borde superior o inferior.
- Debe poseer la salida conveniente: como mínimo 3 grados para el aluminio y de 5 a 7 grados para los aceros.
- Los acuerdos y radios deben ser generosos.
- Las nervaduras debe ser bajas y anchas.
- Deben equilibrarse las distintas porciones en el sentido de evitar grandes diferencias en el flujo del metal.
- Deben aprovecharse al máximo las líneas de orientación de las fibras
- Las tolerancias dimensionales no debe ser más estrechas de lo necesario.
- FORJADO A DADO ABIERTO
Este forjado es un proceso muy sencillo, la mayor parte de piezas
forjadas con este método pesan de 15 a 500 Kg, se han forjado piezas
hasta de 300 toneladas, como por ejemplo hélices de barco.
Este proceso se puede describir como una pieza sólida colocada
entre dos matrices planas o dados, cuya altura se reduce por compresión.
Este proceso también recibe el nombre de recalcado o forjado con dado
plano. Las superficies del dado pueden tener cavidades sencillas para
producir forjados sencillos. En este proceso se mantiene el volumen
constante, toda la reducción de la altura provoca el aumento del
diámetro de la pieza forjada.
En las operación reales de forjado con dado plano la pieza no se
deforma exactamente de forma uniforme sino que desarrolla una forma
embarrilada llamada “pancaking” debida principalmente a las fuerzas de
rozamiento en la interfaces entre pieza y dado que se opones al flujo de
los materiales hacia fuera, éste fenómeno puede reducirse con el uso de
un lubricante eficaz.
Este proceso de forjado cuenta con una serie de ventajas y desventajas.
– Ventajas:
· Sencillez de sus dados que hacen el proceso bastante económico.
· Útil para un número pequeño de piezas a realizar.
· Amplia gama de tamaños disponibles.
· Altos valores de resistencia.
– Desventajas:
· Limitación en la forma del dado a la hora de crear piezas complejas.
· Necesidad de obtener la forma final mediante maquinaria.
· Poca capacidad de producción.
· Mala utilización del material a procesar.
· Destreza para llevar a cabo el proceso correctamente.
Análisis del Forjado en Dado Abierto Si el forjado en dado abierto se
lleva a cabo bajo condiciones ideales, sin fricción entre el material
de trabajo y la superficie del dado, ocurre una deformación homogénea y
el flujo radial de material es uniforme a lo largo de su altura como se
representan en la figura 1 Bajo condiciones ideales, el esfuerzo real
que experimenta el material durante el proceso, se puede determinar por:
Є = ln ho/h
Donde
ho = altura inicial del trabajo, (mm); y
h = altura de un punto intermedio en el proceso (mm)
Al final de la carrera de compresión, h = hf (su valor final) y el esfuerzo real alcanza su máximo valor.
Se puede estimar la fuerza para ejecutar el recalcado. Se puede obtener la fuerza requerida para continuar la compresión a una altura dada h durante el proceso, multiplicando el área correspondiente de la sección transversal por el esfuerzo de fluencia:
F = Yf A
Donde
F = fuerza, (N);
A = área de la sección transversal de la parte, (mm2);
Yf = esfuerzo de fluencia correspondiente al esfuerzo dado por la ecuación (MPa).
El área A se incrementa continuamente al reducirse la altura h durante la operación. El esfuerzo de fluencia Yf se incrementa también como resultado del endurecimiento por trabajo, excepto cuando el metal es perfectamente plástico (trabajo en caliente). En este caso, el exponente de endurecimiento por deformación n = 0, y el esfuerzo de fluencia Yf iguala al esfuerzo de fluencia del metal Y. La fuerza alcanza un valor máximo al final de la carrera de forjado, donde el área y el esfuerzo de fluencia llegan a su valor más alto.
Una operación real de recalcado no ocurre exactamente como se muestra en la figura 3.16, debido a que la fricción en la superficie de los dados se opone al flujo de metal. Esto crea un efecto de abultamiento en forma de barril, llamado barrilamiento, que se muestra en la figura 3.17.
Cuando se realiza un trabajo en caliente con dados fríos, el abarrilamiento es más pronunciado. Esto se debe a:
1) un coeficiente de fricción más alto, típico del trabajo en caliente y 2) la transferencia de calor en la superficie del dado y sus cercanías, lo cual enfría el metal y aumenta su resistencia a la deformación. El metal más caliente se encuentra en medio de la parte y fluye más fácilmente que el metal más frío de los extremos. El efecto se acentúa al aumentar la relación entre el diámetro y la altura de la parte, debido a la mayor área de contacto en la interfase dado – material de trabajo.
Todos estos factores originan que la fuerza de recalcado sea más grande que la pronosticada por la ecuación 3.20. Podernos aplicar un factor de forma a la ecuación 3.20 para aproximar los efectos de la fricción y la relación entre el diámetro y la altura: F = K f Y f A
Donde
F, Yf y A tienen las mismas definiciones que en la ecuación 3.20;
Kf = factor de forma del forjado, definido como: Kf = 1+(0.4 Ҷ D/h)
Donde
Ҷ= coeficiente de fricción;
D = diámetro de la parte de trabajo o cualquier dimensión que represente la longitud de contacto con la superficie, (mm);
h = altura de la parte, (mm).
EJEMPLO: 3.2 Forjado en dado abierto
Una parte cilíndrica se sujeta a una operación de recalcado en forja. La pieza inicial tiene 3.0 pulg. de altura y 2.0 pulg. de diámetro. En la operación, su altura se reduce hasta 1.5 pulg.. El material de trabajo tiene una curva de fluencia definida por K = 50000 lb. /pulg. 2 y n = 0.17. Asuma un coeficiente de fricción de
0.1. Determine la fuerza al empezar el proceso, a las alturas intermedias 2.5 pulg, 2 pulg, y a la altura final 1.5 pulg.
Solución:
Volumen de la pieza es:
En el momento en que hace contacto con el dado superior, h = 3.0 y la fuerza F = 0. Al principio de la
fluencia, h es ligeramente menor que 3.0 pulg, y asumimos que la deformación e = 0.002, en la cual el esfuerzo de fluencia es:
El diámetro es todavía aproximadamente D = 2.0 pulg, y el área A = 3.142 pulg
2 . Para estas condiciones el factor de ajuste Kf se calcula como:
versus carrera de la figura 3.18 se construyó con los valores de este ejemplo.
Práctica del forjado en dado abierto El forjado caliente, en dado abierto es un proceso industrial
importante. Las formas generadas por operaciones en dado abierto son simples. Los dados en algunas
aplicaciones tienen superficies con ligeros contornos que ayudan a formar el material de trabajo. Éste, además, debe manipularse frecuentemente (girándolo en cada paso, por ejemplo) para efectuar los cambios de forma requeridos. La habilidad del operador es un factor importante para el éxito de estas operaciones. Un ejemplo de forjado en dado abierto en la industria del acero es el formado de grandes lingotes cuadrados para convertirlos en secciones redondas. Las operaciones de forja en dado abierto producen formas rudimentarias que necesitan operaciones posteriores para refinar las partes a sus
dimensiones y geometría final. Una contribución importante del forjado en caliente en dado abierto es la creación de un flujo de granos y de una estructura metalúrgica favorable en el metal.
El forjado con dado abierto puede realizarse con dados convexos, con dados cóncavos y por secciones, como se ilustran en la figura 3.19. El forjado con dados convexos es una operación de forja que se utiliza para reducir la sección transversal y redistribuir el metal en una parte de trabajo, como preparación para operaciones posteriores de formado con forja. El forjado con dados cóncavos es similar al anterior, excepto que los dados tienen superficies cóncavas.
Una operación de forjado por secciones consiste en una secuencia de compresiones a lo largo de una pieza de trabajo para reducir su sección transversal e incrementar su longitud. Se usa en la industria siderúrgica para producir lupias y planchas a partir de lingotes fundidos, en la operación se utilizan dados abiertos con superficies planas o con un ligero contorno. Con frecuencia se usa el término forjado incremental para este proceso.
Forjado con dado impresor
Llamado algunas veces forjado en dado cerrado, se realiza con dados que tienen la forma inversa a la requerida para la parte. Este proceso se ilustra en una secuencia de tres pasos en la figura 3.20.
La pieza de trabajo inicial se muestra como una parte cilíndrica. Al cerrarse el dado y llegar a su posición final, el metal fluye más allá de la cavidad del dado y forma una rebaba en la pequeña abertura entre las placas del dado. Aunque la rebaba se recorta posteriormente, tiene realmente una función importante en el forjado por impresión, ya que cuando ésta empieza a formarse, la fricción se opone a que el metal siga fluyendo hacia la abertura, y de esta manera fuerza al material de trabajo a permanecer en la cavidad, En el formado en caliente, la restricción del flujo de metal es mayor debido a que la rebaba delgada se enfría rápidamente contra las placas del dado, incrementando la resistencia a la deformación.
La restricción del flujo de metal en la abertura hace que las presiones de compresión se incrementen significativamente, forzando al material a llenar los detalles algunas veces intrincados de la cavidad del dado, con esto se obtiene un producto de alta calidad.
Con frecuencia se requieren varios pasos en el forjado con dado impresor para transformar la forma inicial en la forma final deseada, como se muestra en la figura 3.20(4).
Para cada paso se necesitan cavidades separadas. Los pasos iniciales
se diseñan para redistribuir el metal en la parte de trabajo y conseguir
así una deformación uniforme y la estructura metálica requerida para
las etapas siguientes, Los últimos pasos le dan el acabado final a la
pieza. Además, cuando se usan martinetes; se pueden requerir varios
golpes de martillo para cada paso. Cuando el forjado con martinete se
hace a mano, como sucede a menudo, se requiere considerable habilidad
del operador para lograr resultados consistentes en condiciones
adversas.Donde
ho = altura inicial del trabajo, (mm); y
h = altura de un punto intermedio en el proceso (mm)
Al final de la carrera de compresión, h = hf (su valor final) y el esfuerzo real alcanza su máximo valor.
Se puede estimar la fuerza para ejecutar el recalcado. Se puede obtener la fuerza requerida para continuar la compresión a una altura dada h durante el proceso, multiplicando el área correspondiente de la sección transversal por el esfuerzo de fluencia:
F = Yf A
Donde
F = fuerza, (N);
A = área de la sección transversal de la parte, (mm2);
Yf = esfuerzo de fluencia correspondiente al esfuerzo dado por la ecuación (MPa).
El área A se incrementa continuamente al reducirse la altura h durante la operación. El esfuerzo de fluencia Yf se incrementa también como resultado del endurecimiento por trabajo, excepto cuando el metal es perfectamente plástico (trabajo en caliente). En este caso, el exponente de endurecimiento por deformación n = 0, y el esfuerzo de fluencia Yf iguala al esfuerzo de fluencia del metal Y. La fuerza alcanza un valor máximo al final de la carrera de forjado, donde el área y el esfuerzo de fluencia llegan a su valor más alto.
Una operación real de recalcado no ocurre exactamente como se muestra en la figura 3.16, debido a que la fricción en la superficie de los dados se opone al flujo de metal. Esto crea un efecto de abultamiento en forma de barril, llamado barrilamiento, que se muestra en la figura 3.17.
Cuando se realiza un trabajo en caliente con dados fríos, el abarrilamiento es más pronunciado. Esto se debe a:
1) un coeficiente de fricción más alto, típico del trabajo en caliente y 2) la transferencia de calor en la superficie del dado y sus cercanías, lo cual enfría el metal y aumenta su resistencia a la deformación. El metal más caliente se encuentra en medio de la parte y fluye más fácilmente que el metal más frío de los extremos. El efecto se acentúa al aumentar la relación entre el diámetro y la altura de la parte, debido a la mayor área de contacto en la interfase dado – material de trabajo.
Todos estos factores originan que la fuerza de recalcado sea más grande que la pronosticada por la ecuación 3.20. Podernos aplicar un factor de forma a la ecuación 3.20 para aproximar los efectos de la fricción y la relación entre el diámetro y la altura: F = K f Y f A
Donde
F, Yf y A tienen las mismas definiciones que en la ecuación 3.20;
Kf = factor de forma del forjado, definido como: Kf = 1+(0.4 Ҷ D/h)
Donde
Ҷ= coeficiente de fricción;
D = diámetro de la parte de trabajo o cualquier dimensión que represente la longitud de contacto con la superficie, (mm);
h = altura de la parte, (mm).
EJEMPLO: 3.2 Forjado en dado abierto
Una parte cilíndrica se sujeta a una operación de recalcado en forja. La pieza inicial tiene 3.0 pulg. de altura y 2.0 pulg. de diámetro. En la operación, su altura se reduce hasta 1.5 pulg.. El material de trabajo tiene una curva de fluencia definida por K = 50000 lb. /pulg. 2 y n = 0.17. Asuma un coeficiente de fricción de
0.1. Determine la fuerza al empezar el proceso, a las alturas intermedias 2.5 pulg, 2 pulg, y a la altura final 1.5 pulg.
Solución:
Volumen de la pieza es:
En el momento en que hace contacto con el dado superior, h = 3.0 y la fuerza F = 0. Al principio de la
fluencia, h es ligeramente menor que 3.0 pulg, y asumimos que la deformación e = 0.002, en la cual el esfuerzo de fluencia es:
El diámetro es todavía aproximadamente D = 2.0 pulg, y el área A = 3.142 pulg
2 . Para estas condiciones el factor de ajuste Kf se calcula como:
versus carrera de la figura 3.18 se construyó con los valores de este ejemplo.
Práctica del forjado en dado abierto El forjado caliente, en dado abierto es un proceso industrial
importante. Las formas generadas por operaciones en dado abierto son simples. Los dados en algunas
aplicaciones tienen superficies con ligeros contornos que ayudan a formar el material de trabajo. Éste, además, debe manipularse frecuentemente (girándolo en cada paso, por ejemplo) para efectuar los cambios de forma requeridos. La habilidad del operador es un factor importante para el éxito de estas operaciones. Un ejemplo de forjado en dado abierto en la industria del acero es el formado de grandes lingotes cuadrados para convertirlos en secciones redondas. Las operaciones de forja en dado abierto producen formas rudimentarias que necesitan operaciones posteriores para refinar las partes a sus
dimensiones y geometría final. Una contribución importante del forjado en caliente en dado abierto es la creación de un flujo de granos y de una estructura metalúrgica favorable en el metal.
El forjado con dado abierto puede realizarse con dados convexos, con dados cóncavos y por secciones, como se ilustran en la figura 3.19. El forjado con dados convexos es una operación de forja que se utiliza para reducir la sección transversal y redistribuir el metal en una parte de trabajo, como preparación para operaciones posteriores de formado con forja. El forjado con dados cóncavos es similar al anterior, excepto que los dados tienen superficies cóncavas.
Una operación de forjado por secciones consiste en una secuencia de compresiones a lo largo de una pieza de trabajo para reducir su sección transversal e incrementar su longitud. Se usa en la industria siderúrgica para producir lupias y planchas a partir de lingotes fundidos, en la operación se utilizan dados abiertos con superficies planas o con un ligero contorno. Con frecuencia se usa el término forjado incremental para este proceso.
Forjado con dado impresor
Llamado algunas veces forjado en dado cerrado, se realiza con dados que tienen la forma inversa a la requerida para la parte. Este proceso se ilustra en una secuencia de tres pasos en la figura 3.20.
La pieza de trabajo inicial se muestra como una parte cilíndrica. Al cerrarse el dado y llegar a su posición final, el metal fluye más allá de la cavidad del dado y forma una rebaba en la pequeña abertura entre las placas del dado. Aunque la rebaba se recorta posteriormente, tiene realmente una función importante en el forjado por impresión, ya que cuando ésta empieza a formarse, la fricción se opone a que el metal siga fluyendo hacia la abertura, y de esta manera fuerza al material de trabajo a permanecer en la cavidad, En el formado en caliente, la restricción del flujo de metal es mayor debido a que la rebaba delgada se enfría rápidamente contra las placas del dado, incrementando la resistencia a la deformación.
La restricción del flujo de metal en la abertura hace que las presiones de compresión se incrementen significativamente, forzando al material a llenar los detalles algunas veces intrincados de la cavidad del dado, con esto se obtiene un producto de alta calidad.
Con frecuencia se requieren varios pasos en el forjado con dado impresor para transformar la forma inicial en la forma final deseada, como se muestra en la figura 3.20(4).
Debido a la formación de rebaba en el forjado con dado impresor y a las formas más complejas de las partes hechas con estos dados, las fuerzas en este proceso son considerablemente más grandes y más difíciles de analizar a diferencia del forjado con dado abierto. Con frecuencia se usan fórmulas y factores de diseño relativamente simples para estimar las fuerzas en el forjado con dado impresor. La fórmula de la fuerza es la misma de la ecuación 3.21 para el forjado en dado abierto, pero su interpretación es ligeramente diferente: F = K f Yf A
Donde
F = fuerza máxima en la operación, (N);
A = área proyectada de la parte, incluyendo la rebaba, (mm2);
Yf = esfuerzo de fluencia del materia (MPa);
Kf = factor de forma del forjado
En el forjado en caliente, el valor apropiado de Yf es la resistencia a la fluencia del metal a temperatura elevada. En otros casos, la selección del valor apropiado del esfuerzo de fluencia es difícil porque para las formas complejas el esfuerzo varía a través de la pieza de trabajo. En la ecuación 3,23 Kf es un factor con el que se intenta tomar en cuenta el incremento de la fuerza requerida para forjar formas
complejas, La tabla 3.3 muestra la escala de valores de Kf. para diferentes formas de la parte.
Obviamente, el problema al especificar el valor apropiado de Kf para una forma dada de trabajo, limita la precisión de la estimación.
La ecuación 3.23 se aplica para el cálculo de la fuerza máxima durante la peración, ya que ésta determinará la capacidad requerida en la prensa o martinete que se usara en la operación. La fuerza máxima se alcanza al final de la carrera o golpe de forjado donde el área proyectada es más grande y la fricción es máxima.
El forjado con dado impresor no tiene tolerancias estrechas de trabajo y frecuentemente se requiere el maquinado para lograr la precisión necesaria. El proceso de forjado genera la geometría básica de la parte y el maquinado realiza los acabados de precisión que se requieren en algunas porciones de la parte (por ejemplo, perforaciones, cuerdas y superficies que deben coincidir con otros componentes). Las ventajas del forjado sobre el maquinado completo de la parte son: velocidad de producción más alta, conservación del metal, mayor resistencia y orientación más favorable de los granos de metal. En la figura 3.21 se ilustra una comparación del flujo granular en el forjado y en el maquinado.
Los mejoramientos de la tecnología del forjado con dado impresor han tenido como resultado la capacidad de producir forjados con secciones más delgadas, formas más complejas, reducción drástica de los requerimientos de ahusamiento en los dados, tolerancias más estrechas y la virtual eliminación de concesiones al maquinado. Los procesos de forjado con estas características se conocen como forjado de precisión.
Los metales más comunes que se usan en el forjado de precisión son el aluminio y el titanio. En la figura 3.22 se muestra una comparación del forjado de precisión y el forjado convencional con dado impresor. Nótese que el forjado de precisión en este ejemplo no elimina las rebabas, aunque si las reduce. Algunas operaciones de forjado de precisión se realizan sin producir rebaba. El forjado de
precisión se clasifica propiamente como un proceso de forma neta o casi neta, dependiendo de la necesidad del maquinado para acabar la forma de la parte.
Forjado sin rebaba
En la terminología industrial, el forjado con dado impresor se llama algunas veces forjado en dado cerrado. Sin embargo, hay una distinción técnica entre forjado con dado impresor y forjado con dado cerrado real. La distinción es que en el forjado con dado cerrado, la pieza de trabajo original queda contenida completamente dentro de la cavidad del dado durante la compresión y no se forma rebaba. La secuencia del proceso se ilustra en la figura 3.23. Para identificar este proceso es apropiado el término forjado sin rebaba.
El forjado sin rebaba impone ciertos requerimiento sobre el control del proceso, más exigentes que el forjado con dado impresor. El parámetro más importante es que el volumen del material de trabajo debe igualar al volumen de la cavidad del dado dentro de muy estrechas tolerancias. Si la pieza de trabajo inicial es demasiado grande, la presión excesiva puede causar daño al dado o a la prensa. Si la pieza de trabajo es demasiado pequeña, no se llenará la cavidad. Debido a este requerimiento especial, el proceso es más adecuado en la manufactura de partes geométricas simples y simétricas, y para trabajar metales como el aluminio, el magnesio o sus aleaciones. El forjado sin rebaba se clasifica frecuentemente como un proceso de forjado de precisión [3].
Las fuerzas en el forjado sin rebaba alcanzan valores comparables a las del forjado con dado impresor. Estas fuerzas se pueden, estimar usando los mismos métodos para el forjado con dado impresor, ecuación 3.23 y tabla 3.3.
El acuñado es una aplicación especial del forjado sin rebaba mediante el cual se imprimen los finos detalles del dado en la superficie superior y en el fondo de la pieza de trabajo. En el acuñado hay poco flujo de metal; no obstante, las presiones requeridas para reproducir los detalles superficiales de la cavidad del dado son altas, como se indica por el valor de Kf en la tabla 3.3. Una aplicación común del
acuñado es desde luego la acuñación de monedas, que se ilustra en la figura 3.24. El proceso se usa
también para dar acabados superficiales y de precisión dimensional a algunas partes fabricadas por otras
operaciones
Dados de forjado, martinetes y prensas
El equipo que se usa en forjado consiste en máquinas de forja, que se clasifican en martinetes prensas dados de forjado y herramientas especiales que se usan en estas máquinas; equipos auxiliares como hornos para calentar el material trabajo, dispositivos mecánicos para cargar y descargar el material de trabajo y estaciones de recorte para recortar las rebabas del forjado con dado impresor
Martinetes de forja Estos martinetes funcionan aplicando una descarga por impacto contra el material de trabajo. Se usa frecuentemente el término martinete de caída libre para designar, estas máquinas, por la forma de liberar la energía de impacto (véanse figuras 3.25(a))
Los martinetes se usan más frecuentemente para forjado con dado impresor. La parte superior del dado de forjado se fija al pisón y la parte inferior se fija al yunque. En la operación, el material de trabajo se coloca en el dado inferior, el pisón se eleva y luego se deja caer sobre la pieza de trabajo. Cuando la parte superior del dado golpea el material de trabajo, la energía del impacto ocasiona que la parte tome la forma de la cavidad del dado. Se necesitan varios golpes de martillo para lograr el cambio deseado de forma. Los martinetes se pueden clasificar cómo martinetes de caída libre y martinetes de potencia. Los martinetes de caída libre generan su energía por el peso de un pisón que cae libremente. La fuerza del golpe se determina por la altura de la caída y el peso del pisón. Los martinetes de potencia aceleran el
pisón con presión de aire o vapor figura 3.25(b). Una desventaja del martinete de caída libre es que una
gran parte de la energía del impacto se trasmite a través del yunque al piso del edificio.
Prensas de forjado Las prensas aplican una presión gradual, en lugar de impactos repentinos
para realizar las operaciones de forja figura 3.25(c). Las prensas de forjado incluyen prensas mecánicas,
prensas hidráulicas y prensas de tornillo. Las prensas mecánicas funcionan por medio de excéntricos,
manivelas y juntas o articulaciones de bisagra que convierten el movimiento giratorio de un motor en
movimientos de traslación del pisón. Las prensas mecánicas típicas alcanzan fuerzas muy altas en el
fondo del recorrido de forjado. Las prensas hidráulicas usan un cilindro hidráulico para accionar el pisón.
Las prensas de tornillo aplican la fuerza por medio de un tornillo que mueve al pisón vertical. Tanto las
prensas de tornillo como las hidráulicas operan a velocidades bajas del pisón o ariete y pueden
suministrar una fuerza constante a través de la carrera. Por tanto, estas máquinas son apropiadas para las operaciones de forjado (y otras operaciones de formado) que requieren grandes carreras.
Dados de forjado Es importante el diseño de los dados para el éxito de la operación de forjado.
Las partes que se forjan deben diseñarse con el conocimiento de los principios y limitaciones de este proceso. Nuestro objetivo es describir parte de la terminología y algunos lineamientos que se usan en el diseño de dados para forja. El diseño de los dados abiertos es generalmente trivial ya que su forma es
relativamente simple. Nuestros comentarios se aplican a los dados impresores y a los dados cerrados. La figura 3.26 define parte de la terminología en un dado de impresión.
En la revisión de la siguiente terminología de los dados de forjado [3] se indican algunos de los principios y limitaciones en su diseño, que deben considerarse para el diseño de las partes o para la selección de los procesos de manufactura:
· Línea de separación. La línea de separación o partición es el plano que divide la parte superior del dado de la parte inferior. La llamada línea de rebaba en el forjado con dado impresor es el plano donde se encuentran las dos mitades del dado. Su mala selección afecta el flujo de los granos en la pieza, la carga requerida y la formación de rebaba.· Ahusamiento (ángulo de salida). Es el grado de inclinación que se requiere en los lados de la pieza para poder retirarla del dado. El término se aplica también al ahusamiento en los lados de la cavidad del molde. Los ángulos típicos de salida son de 3º para el aluminio y el magnesio, y de 5º a 7º para partes de acero. Los ángulos de tiro para forjados de precisión son cercanos a cero.
· Membranas y costillas. Una membrana es una porción delgada del forjado que es paralela a la línea de separación, mientras que una costilla es una porción delgada perpendicular a la línea de separación. Estas características de la parte producen dificultad en el flujo de metal al adelgazarse.
· Filetes y radios de las esquinas. Los filetes y las esquinas se ilustran en la figura 3. Los radios pequeños tienden a limitar el flujo de metal e incrementar la resistencia en las superficies del dado durante el forjado.
· Rebaba. La formación de rebaba juega un papel crítico en el forjado con dados de impresión porque causa una acumulación de la presión dentro del dado que promueve el llenado de la cavidad. Esta acumulación de presión se controla diseñando un campo para la rebaba y un canal dentro del dado, como se muestra en la figura 3.26. El campo determina el área superficial a lo largo del cual ocurre el flujo lateral del metal, controlando así el incremento de la presión dentro del dado, El canal permite que escape material en exceso y evita que la carga de forjado se eleve a valores extremos.
Otras operaciones de forja
Aparte de las operaciones convencionales de forja descritas en las secciones anteriores hay otras operaciones de formado para metal que están relacionadas se asocian muy cerca con el forjado.
Recalcado y encabezamiento El recalcado (también llamado forjado de recalcado) es una operación de deformación en la cual una parte o pieza de trabajo cilíndrica aumenta su diámetro y reduce su longitud. Esta operación se analizó en nuestra descripción del forjado en dado abierto . Sin embargo, es una operación industrial que puede también ejecutarse como un forjado en dado cerrado
como se observa en la figura 3.27.
El recalcado se usa ampliamente en la industria de los sujetadores para formar cabezas de clavos,
pernos y productos similares de ferretería. En estas aplicaciones se emplea frecuentemente el término encabezamiento para denotar la operación. La figura 3.28 ilustra una variedad de aplicaciones del encabezamiento, indicando varias configuraciones posibles del dado. Debido a este tipo de aplicaciones, se producen más partes por recalcado que por cualquier otra operación de forjado. El recalcado se realiza como una operación de producción en masa en frío, en tibio o en caliente, con máquinas especiales de recalcado por forja, llamadas formadoras de cabezas. En general, estas máquinas se equipan con deslizaderas horizontales, en lugar de las verticales usadas en los martinetes y prensas
convencionales.
El material con que se alimentan estas máquinas son barras o alambres, se forman las cabezas en los extremos de las barras y luego se corta la pieza a la longitud adecuada para hacer el artículo de ferretería deseado. Se usa el laminado de cuerdas para formar las piezas completas de pernos y tornillos
Hay límites para la cantidad de deformación que se puede alcanzar en el recalcado, definidos usualmente como la longitud máxima del material a forjar. La longitud máxima que se puede recalcar en un golpe es tres veces el diámetro de la barra inicial. De otra manera, el metal se dobla o arruga en lugar de comprimirse para llenar adecuadamente la cavidad.
Estampado (suajeado) con forja y forjado radial Son procesos de forjado que se usan para reducir el diámetro de un tubo o barra sólida. El estampado se ejecuta frecuentemente sobre el extremo de una pieza de trabajo para crear una sección abusada. El proceso de estampado, que se muestra en la figura 3.29, se realiza por medio de dados rotatorios que golpean en una pieza de trabajo radialmente hacia dentro para ahusarla conforme la pieza avanza dentro de los dados. La figura 3.30 ilustra algunas de las formas y productos que se hacen por estampado. Se requiere algunas veces un mandril para controlar la forma y tamaño del diámetro interno de las partes tubulares que se estampan. El forjado radial es similar al estampado en su acción contra la parte y se usa para crear formas similares. La diferencia es que en el forjado radial los dados no giran alrededor de la pieza de trabajo; en su lugar, el material de trabajo es el que gira al avanzar dentro de los dados martillo.
Forjado con rodillos Es un proceso de deformación que se usa para reducir la sección
transversal de una pieza de trabajo cilíndrica (o rectangular), ésta pasa a través de una serie de rodillos opuestos con canales que igualan la forma requerida por la parte final. La operación típica se ilustra en la figura 3.31 El forjado con rodillos se clasifica generalmente como un proceso de forja, aun cuando utiliza rodillos. Los rodillos no giran continuamente, sino solamente a través de una porción de revolución que corresponde a la deformación que requiere la parte. La partes forjadas con rodillos son generalmente más fuertes y poseen una estructura granular favorable con respecto a otros procesos competidores como el maquinado que puede usarse para producir estas mismas partes.
Forjado orbital En este proceso, la deformación ocurre por medio de un dado superior en forma de cono que presiona y gira simultáneamente sobre el material de trabajo, como se ilustra en la figura 3.32. El material de trabajo se comprime sobre un dado inferior que tiene una cavidad. Debido a que el
eje del cono está inclinado, solamente una pequeña área de la superficie del material de trabajo se comprime en cualquier momento.
Al revolver el dado superior, el área bajo compresión también gira. Estas operaciones características del forjado orbital producen una reducción sustancial en la carga requerida de la prensa para alcanzar la deformación del material del trabajo.
Punzonado El punzonado en forja es un proceso de deformación en el cual se prensa una forma endurecida de acero sobre un bloque de acero suave (u otro metal suave). El proceso se usa frecuentemente para hacer cavidades de moldes para moldeo de plásticos y fundición en dados, como se muestra en la figura 3.33. La forma de acero endurecido se llama punzón o fresa y está maquinada con la geometría de la parte que se va a moldear. Para forzar la fresa dentro del bloque de metal suave se requiere una presión sustancial, esto se logra generalmente con una prensa hidráulica. La formación completa de la cavidad del dado en el bloque requiere frecuentemente varios pasos, como el fresado
seguido del recocido para remover el endurecimiento por deformación. Cuando el bloque del material se ha deformado en cantidades significativas, como se muestra en la figura, se elimina el exceso por maquinado. La ventaja del punzonado en esta aplicación es que es más fácil maquinar la forma positiva que erosionar la cavidad negativa. Esta ventaja se multiplica en los casos donde se tienen que hacer cavidades múltiples en el bloque del dado.
Forjado isotérmico en dado caliente El forjado isotérmico es un término que se aplica a operaciones de forjado caliente, donde la parte de trabajo se mantiene a temperaturas elevadas durante todo el proceso. Si se evita que la pieza de trabajo se enfríe al contacto con la superficie fría de los dados, como se hace en el forjado convencional, el metal fluye más fácilmente y la fuerza requerida para
desempeñar el proceso se reduce. El forjado isotérmico es más costoso que el forjado convencional y se reserva para metales difíciles de forjar, como el titanio y las super aleaciones, y para partes complejas. El proceso se lleva a cabo algunas veces al vacío para evitar la oxidación rápida del material del dado.
Similar al forjado isotérmico es el forjado con dado caliente, en el cual se calientan los dados a una temperatura algo menor que la del metal de trabajo.
Recortado El recortado es una operación que se usa para remover la rebaba de la parte de trabajo en el forjado con dado impresor. El recortado en la mayoría de los casos se realiza por cizallamiento como en la figura 3.34, en la cual un punzón fuerza el material de trabajo a través de un dado de corte, cuyo contorno tiene el perfil de la parte deseada. El recorte se hace usualmente mientras el material de
trabajo está aún caliente, esto significa que se debe incluir una prensa de recortado separada por cada martinete o prensa. En los casos donde el trabajo podría dañarse por el proceso de corte, el recorte puede hacerse por medios alternativos, como esmerilado o aserrado.
