Forjar

La forja es un proceso de fabricación que implica la conformación del metal utilizando fuerzas de compresión localizadas . Los golpes se entregan con un martillo (a menudo un martillo eléctrico ) o con un dado . La forja a menudo se clasifica según la temperatura a la que se realiza: forja en frío (un tipo de trabajo en frío ), forja en caliente o forja en caliente (un tipo de trabajo en caliente ). Para los dos últimos, el metal se calienta , generalmente en una fragua . Las piezas forjadas pueden variar en peso desde menos de un kilogramo hasta cientos de toneladas métricas. [1] [2] La forja ha sido realizada porherreros durante milenios; los productos tradicionales eran utensilios de cocina , hardware , herramientas de mano , armas blancas , platillos , y la joyería . Desde la Revolución Industrial , las piezas forjadas se utilizan ampliamente en mecanismos y máquinas donde un componente requiere una alta resistencia ; tales piezas forjadas generalmente requieren un procesamiento adicional (como mecanizado ) para lograr una pieza casi terminada. Hoy en día, la forja es una industria importante a nivel mundial. [3]

El metal caliente de lingotes de ser cargado en una forja martillo
Una palanquilla en una prensa de forja de matriz abierta

"> File:Forging a nail. Valašské muzeum v přírodě.webmReproducir medios
Forjando un clavo. Valašské muzeum v přírodě, República Checa

La forja es uno de los procesos de trabajo de metales más antiguos que se conocen . [1] Tradicionalmente, la forja la realizaba un herrero con martillo y yunque , aunque la introducción de la energía hidráulica en la producción y el trabajo del hierro en el siglo XII permitió el uso de martillos de viaje grandes o martillos eléctricos que aumentaban la cantidad y el tamaño del hierro podría producirse y forjarse. La herrería o forja ha evolucionado durante siglos para convertirse en una instalación con procesos de ingeniería, equipos de producción, herramientas, materias primas y productos para satisfacer las demandas de la industria moderna.

En los tiempos modernos, la forja industrial se realiza con prensas o con martillos accionados por aire comprimido, electricidad, hidráulica o vapor. Estos martillos pueden tener pesos alternativos de miles de libras. Los martillos de potencia más pequeños , 500 lb (230 kg) o menos de peso alternativo, y las prensas hidráulicas también son comunes en las herrerías de arte. Algunos martillos de vapor permanecen en uso, pero se volvieron obsoletos con la disponibilidad de otras fuentes de energía más convenientes.

La forja puede producir una pieza más resistente que una pieza fundida o mecanizada equivalente . A medida que se da forma al metal durante el proceso de forjado, su textura de grano interno se deforma para seguir la forma general de la pieza. Como resultado, la variación de textura es continua en toda la pieza, dando lugar a una pieza con mejores características de resistencia. [4] Además, las piezas forjadas pueden lograr un costo total más bajo que la fundición o la fabricación. Teniendo en cuenta todos los costos en los que se incurre en el ciclo de vida de un producto, desde la adquisición hasta el tiempo de entrega hasta el reproceso, y teniendo en cuenta los costos de la chatarra, el tiempo de inactividad y otras consideraciones de calidad, los beneficios a largo plazo de las piezas forjadas pueden superar los ahorros de costos a corto plazo que pueden ofrecer las piezas fundidas o fabricadas. [5]

Algunos metales pueden forjarse en frío, pero el hierro y el acero casi siempre se forjan en caliente . El forjado en caliente evita el endurecimiento de trabajo que resultaría del conformado en frío , lo que aumentaría la dificultad de realizar operaciones de mecanizado secundario en la pieza. Además, aunque el endurecimiento por trabajo puede ser deseable en algunas circunstancias, otros métodos de endurecimiento de la pieza, como el tratamiento térmico , son generalmente más económicos y más controlables. Las aleaciones que son susceptibles de endurecimiento por precipitación , como la mayoría de las aleaciones de aluminio y el titanio , se pueden forjar en caliente, seguido de endurecimiento. [ cita requerida ]

La forja de producción implica un gasto de capital significativo en maquinaria, herramientas, instalaciones y personal. En el caso de la forja en caliente, se requiere un horno de alta temperatura (a veces denominado forja) para calentar lingotes o palanquillas . Debido al tamaño de los enormes martillos y prensas de forja y las piezas que pueden producir, así como a los peligros inherentes al trabajo con metal caliente, con frecuencia se requiere un edificio especial para albergar la operación. En el caso de operaciones de forja por estampación, se deben tomar las medidas necesarias para absorber el impacto y la vibración generados por el martillo. La mayoría de las operaciones de forjado utilizan matrices de conformado de metales, que deben mecanizarse con precisión y tratarse térmicamente con cuidado para dar forma correcta a la pieza de trabajo, así como para resistir las tremendas fuerzas involucradas.

Una sección transversal de una biela forjada que ha sido grabada para mostrar el flujo de grano.

Hay muchos tipos diferentes de procesos de forja disponibles; sin embargo, se pueden agrupar en tres clases principales: [1]

  • Estirado: aumenta la longitud, disminuye la sección transversal
  • Molesto: la longitud disminuye, la sección transversal aumenta
  • Exprimido en matrices de compresión cerradas: produce flujo multidireccional

Los procesos de forja comunes incluyen: forjado con rodillo, estampado , dentado , forjado con matriz abierta, forjado con matriz de impresión (forjado con matriz cerrada), forjado en prensa, forjado en frío, forjado y recalcado automático en caliente. [1] [6]

Temperatura

Todos los siguientes procesos de forjado se pueden realizar a varias temperaturas; sin embargo, generalmente se clasifican según si la temperatura del metal está por encima o por debajo de la temperatura de recristalización. Si la temperatura está por encima de la temperatura de recristalización del material, se considera forjado en caliente ; si la temperatura está por debajo de la temperatura de recristalización del material pero por encima del 30% de la temperatura de recristalización (en una escala absoluta), se considera forja en caliente ; si está por debajo del 30% de la temperatura de recristalización (normalmente temperatura ambiente), se considera forjado en frío . La principal ventaja del forjado en caliente es que se puede realizar de forma más rápida y precisa, y a medida que el metal se deforma, los efectos de endurecimiento por trabajo se anulan mediante el proceso de recristalización. El forjado en frío normalmente da como resultado el endurecimiento de la pieza. [7] [8]

Forja de gota

"> Reproducir medios
Producción de clavos para barcos en Hainan , China

La forja por caída es un proceso de forjado en el que se levanta un martillo y luego se "deja caer" en la pieza de trabajo para deformarla de acuerdo con la forma del troquel. Hay dos tipos de forjado por estampación: forjado por estampación abierta y forjado por estampación (o estampación cerrada). Como implican los nombres, la diferencia está en la forma del troquel, ya que el primero no encierra completamente la pieza de trabajo, mientras que el segundo sí.

Forjado a troquel abierto

Forjado a troquel abierto (con dos troqueles) de un lingote para su posterior procesamiento en una rueda
Un cilindro grande de 80 toneladas de acero caliente en una prensa de forja de matriz abierta, listo para la fase de alteración de la forja.

La forja de matriz abierta también se conoce como forja de herrero . [9] En la forja con matriz abierta, un martillo golpea y deforma la pieza de trabajo, que se coloca sobre un yunque estacionario . La forja de matriz abierta recibe su nombre del hecho de que las matrices (las superficies que están en contacto con la pieza de trabajo) no encierran la pieza de trabajo, lo que le permite fluir excepto donde entran en contacto con las matrices. Por lo tanto, el operador debe orientar y colocar la pieza de trabajo para obtener la forma deseada. Los troqueles suelen tener forma plana, pero algunos tienen una superficie de forma especial para operaciones especializadas. Por ejemplo, un troquel puede tener una superficie redonda, cóncava o convexa o ser una herramienta para formar agujeros o ser una herramienta de corte. [10] Las piezas forjadas de matriz abierta se pueden trabajar en formas que incluyen discos, cubos, bloques, ejes (incluidos ejes escalonados o con bridas), mangas, cilindros, planos, hexágonos, rondas, placas y algunas formas personalizadas. [11] La forja a matriz abierta se presta a tiradas cortas y es apropiada para trabajos artísticos y personalizados. En algunos casos, se puede emplear la forja en matriz abierta para dar forma a los lingotes a fin de prepararlos para operaciones posteriores. La forja de matriz abierta también puede orientar el grano para aumentar la resistencia en la dirección requerida. [10]

Ventajas de la forja en matriz abierta

  • Posibilidad reducida de huecos
  • Mejor resistencia a la fatiga
  • Microestructura mejorada
  • Flujo de grano continuo
  • Tamaño de grano más fino
  • Mayor fuerza [12]
  • Mejor respuesta al tratamiento térmico [13]
  • Mejora de la calidad interna
  • Mayor fiabilidad de las propiedades mecánicas, ductilidad y resistencia al impacto.

"Cogging "es la deformación sucesiva de una barra a lo largo de su longitud utilizando una forja de troquel abierto. Se utiliza comúnmente para trabajar una pieza de materia prima con el grosor adecuado. Una vez que se alcanza el grosor adecuado, se logra el ancho adecuado mediante" canteado ". [14] " El canteado "es el proceso de concentrar material utilizando un troquel abierto de forma cóncava. El proceso se denomina" canteado "porque generalmente se lleva a cabo en los extremos de la pieza de trabajo". Fullering "es un proceso similar que adelgaza las secciones de la forja utilizando un troquel de forma convexa. Estos procesos preparan las piezas de trabajo para otros procesos de forjado. [15]

  • Cenefa

  • Fullering

Forjado por estampación

La forja de estampación también se denomina "forja de estampa cerrada". En la forja por estampación, el metal se coloca en una matriz que se asemeja a un molde, que se fija a un yunque. Por lo general, la matriz del martillo también tiene forma. Luego, el martillo se deja caer sobre la pieza de trabajo, lo que hace que el metal fluya y llene las cavidades del troquel. El martillo generalmente está en contacto con la pieza de trabajo en una escala de milisegundos. Dependiendo del tamaño y la complejidad de la pieza, el martillo puede caer varias veces en rápida sucesión. El exceso de metal se exprime fuera de las cavidades del troquel, formando lo que se conoce como " flash ". El flash se enfría más rápidamente que el resto del material; este metal frío es más fuerte que el metal en la matriz, por lo que ayuda a evitar que se forme más destello. Esto también obliga al metal a llenar completamente la cavidad del troquel. Después de la forja, se quita el flash. [9] [16]

En la forja comercial con matriz de impresión, la pieza de trabajo generalmente se mueve a través de una serie de cavidades en una matriz para pasar de un lingote a la forma final. La primera impresión se utiliza para distribuir el metal en forma rugosa de acuerdo con las necesidades de las cavidades posteriores; esta impresión se denomina impresión de "ribete", "relleno" o "flexión". Las siguientes cavidades se denominan cavidades de "bloqueo", en las que la pieza está trabajando en una forma que se asemeja más al producto final. Estas etapas suelen impartir a la pieza de trabajo curvas generosas y filetes grandes . La forma final se forja en una cavidad de impresión "final" o "acabadora". Si solo hay una pequeña serie de piezas por hacer, entonces puede ser más económico que el troquel carezca de una cavidad de impresión final y, en su lugar, mecanice las características finales. [4]

El forjado por estampación se ha mejorado en los últimos años mediante una mayor automatización que incluye calentamiento por inducción, alimentación mecánica, posicionamiento y manipulación, y el tratamiento térmico directo de las piezas después del forjado. [17] Una variación de la forja con estampación se llama "forja sin flash" o "verdadera forja con estampa cerrada". En este tipo de forja, las cavidades de la matriz están completamente cerradas, lo que evita que la pieza de trabajo forme rebabas. La principal ventaja de este proceso es que se pierde menos metal en el destello. El flash puede representar del 20 al 45% del material de partida. Las desventajas de este proceso incluyen un costo adicional debido a un diseño de matriz más complejo y la necesidad de una mejor lubricación y colocación de la pieza de trabajo. [4]

Hay otras variaciones de formación de piezas que integran el forjado con estampación. Un método incorpora la fundición de una preforma de forja a partir de metal líquido. La fundición se retira después de que se haya solidificado, pero mientras aún está caliente. Luego se termina en una sola cavidad muere. Se recorta el flash, luego se templa la pieza. Otra variación sigue el mismo proceso descrito anteriormente, excepto que la preforma se produce mediante la deposición por pulverización de gotitas de metal en colectores con forma (similar al proceso Osprey ). [17]

La forja de matriz cerrada tiene un costo inicial alto debido a la creación de matrices y el trabajo de diseño requerido para hacer cavidades de matriz de trabajo. Sin embargo, tiene bajos costos recurrentes para cada parte, por lo que las piezas forjadas se vuelven más económicas con un mayor volumen de producción. Esta es una de las principales razones por las que las piezas forjadas de matriz cerrada se utilizan a menudo en las industrias automotriz y de herramientas. Otra razón por la que las piezas forjadas son comunes en estos sectores industriales es que las piezas forjadas generalmente tienen una relación resistencia-peso aproximadamente un 20 por ciento más alta en comparación con las piezas fundidas o mecanizadas del mismo material. [4]

Diseño de herramentales y forjados por estampación

Las matrices de forja generalmente están hechas de acero de alta aleación o acero para herramientas . Los troqueles deben ser resistentes al impacto y al desgaste, mantener la fuerza a altas temperaturas, tener la capacidad de soportar ciclos de calentamiento y enfriamiento rápidos. Para producir una matriz mejor y más económica se mantienen las siguientes normas: [17]

  • Los troqueles parten a lo largo de un solo plano plano siempre que sea posible. De lo contrario, el plano de partición sigue el contorno de la pieza.
  • La superficie de partición es un plano que pasa por el centro de la forja y no cerca de un borde superior o inferior.
  • Se proporciona un calado adecuado ; generalmente al menos 3 ° para aluminio y 5 ° a 7 ° para acero.
  • Se utilizan generosos filetes y radios.
  • Las costillas son bajas y anchas.
  • Las distintas secciones están equilibradas para evitar diferencias extremas en el flujo de metal.
  • Se aprovecha al máximo las líneas de flujo de fibra.
  • Las tolerancias dimensionales no están más cerca de lo necesario.

El barril ocurre cuando, debido a la fricción entre la pieza de trabajo y el troquel o punzón , la pieza de trabajo sobresale en su centro de tal manera que se asemeja a un barril . Esto lleva a que la parte central de la pieza de trabajo entre en contacto con los lados de la matriz antes que si no hubiera fricción, creando un aumento mucho mayor en la presión requerida para que el punzón termine la forja .

Las tolerancias dimensionales de una pieza de acero producida mediante el método de forjado con matriz de impresión se describen en la siguiente tabla. Las dimensiones a lo largo del plano de partición se ven afectadas por el cierre de las matrices y, por lo tanto, dependen del desgaste de las matrices y del grosor de la rebaba final. Las dimensiones que están completamente contenidas dentro de un solo segmento de troquel o la mitad se pueden mantener con un nivel de precisión significativamente mayor. [dieciséis]

Tolerancias dimensionales para piezas forjadas con estampación [16]
Masa [kg (lb)] Tolerancia negativa [mm (pulg.)] Más tolerancia [mm (in)]
0,45 (1) 0,15 (0,006) 0,46 (0,018)
0,91 (2) 0,20 (0,008) 0,61 (0,024)
2,27 (5) 0,25 (0,010) 0,76 (0,030)
4,54 (10) 0,28 (0,011) 0,84 (0,033)
9.07 (20) 0,33 (0,013) 0,99 (0,039)
22,68 (50) 0,48 (0,019) 1,45 (0,057)
45,36 (100) 0,74 (0,029) 2,21 (0,087)

Se utiliza un lubricante al forjar para reducir la fricción y el desgaste. También se utiliza como barrera térmica para restringir la transferencia de calor de la pieza de trabajo al troquel. Finalmente, el lubricante actúa como un compuesto de separación para evitar que la pieza se pegue en los troqueles. [dieciséis]

Prensa forja

La forja a presión funciona aplicando lentamente una presión o fuerza continua, que difiere del impacto casi instantáneo de la forja con martillo de caída. La cantidad de tiempo que las matrices están en contacto con la pieza de trabajo se mide en segundos (en comparación con los milisegundos de las forjas con martillo de caída). La operación de forjado en prensa se puede realizar en frío o en caliente. [dieciséis]

La principal ventaja del forjado a presión, en comparación con el forjado con martillo, es su capacidad para deformar la pieza de trabajo completa. La forja con martillo de caída generalmente solo deforma las superficies de la pieza de trabajo en contacto con el martillo y el yunque; el interior de la pieza de trabajo permanecerá relativamente sin deformar. Otra ventaja del proceso incluye el conocimiento de la tasa de deformación de la pieza nueva. Al controlar la tasa de compresión de la operación de forjado en prensa, se puede controlar la deformación interna.

Hay algunas desventajas en este proceso, la mayoría derivadas de que la pieza de trabajo está en contacto con las matrices durante un período de tiempo tan prolongado. La operación es un proceso que requiere mucho tiempo debido a la cantidad y duración de los pasos. La pieza de trabajo se enfriará más rápido porque las matrices están en contacto con la pieza de trabajo; las matrices facilitan drásticamente más transferencia de calor que la atmósfera circundante. A medida que la pieza de trabajo se enfría, se vuelve más fuerte y menos dúctil, lo que puede provocar grietas si continúa la deformación. Por lo tanto, las matrices calentadas se utilizan generalmente para reducir la pérdida de calor, promover el flujo superficial y permitir la producción de detalles más finos y tolerancias más estrechas. Es posible que también sea necesario recalentar la pieza de trabajo.

Cuando se realiza con alta productividad, el forjado con prensa es más económico que el forjado con martillo. La operación también crea tolerancias más estrechas. En la forja con martillo, gran parte del trabajo es absorbido por la maquinaria; en la forja en prensa, el mayor porcentaje de trabajo se utiliza en la pieza de trabajo. Otra ventaja es que la operación se puede utilizar para crear piezas de cualquier tamaño porque no hay límite para el tamaño de la máquina de forja en prensa. Las nuevas técnicas de forjado en prensa han logrado crear un mayor grado de integridad mecánica y de orientación. Debido a la restricción de la oxidación a las capas externas de la pieza, se producen niveles reducidos de microfisuración en la pieza acabada. [dieciséis]

El forjado con prensa se puede utilizar para realizar todo tipo de forjado, incluido el forjado con matriz abierta y con matriz de impresión. El forjado con prensa de estampación por lo general requiere menos calado que el forjado por estampación y tiene una mejor precisión dimensional. Además, las forjas de prensa a menudo se pueden hacer en un cierre de las matrices, lo que permite una fácil automatización. [18]

Forja trastornada

La forja recalcada aumenta el diámetro de la pieza de trabajo al comprimir su longitud. [18] Según el número de piezas producidas, este es el proceso de forjado más utilizado. [18] Algunos ejemplos de piezas comunes producidas mediante el proceso de forjado alterado son válvulas de motor, acoplamientos, pernos, tornillos y otros sujetadores.

La forja por revés generalmente se realiza en máquinas especiales de alta velocidad llamadas prensas de manivela . Las máquinas generalmente están configuradas para trabajar en el plano horizontal, para facilitar el intercambio rápido de piezas de trabajo de una estación a la siguiente, pero el volcado también se puede hacer en una prensa de manivela vertical o una prensa hidráulica. La pieza de trabajo inicial suele ser alambre o varilla, pero algunas máquinas pueden aceptar barras de hasta 25 cm (9,8 pulgadas) de diámetro y una capacidad de más de 1000 toneladas. La máquina de recalcado estándar emplea troqueles partidos que contienen múltiples cavidades. Los troqueles se abren lo suficiente para permitir que la pieza de trabajo se mueva de una cavidad a la siguiente; luego, los troqueles se cierran y la herramienta de rumbo, o ariete, se mueve longitudinalmente contra la barra, volcándola hacia la cavidad. Si todas las cavidades se utilizan en cada ciclo, entonces se producirá una pieza terminada con cada ciclo, lo que hace que este proceso sea ventajoso para la producción en masa. [18]

Deben seguirse estas reglas al diseñar piezas que se alterarán y forjarán: [19]

  • La longitud del metal sin soporte que pueda volcarse de un solo golpe sin pandeo lesivo debe limitarse a tres veces el diámetro de la barra.
  • Las longitudes de material superiores a tres veces el diámetro se pueden rectificar con éxito, siempre que el diámetro del recalcado no sea más de 1,5 veces el diámetro del material.
  • En una alteración que requiera una longitud de material superior a tres veces el diámetro de la pieza, y donde el diámetro de la cavidad no sea más de 1,5 veces el diámetro de la pieza, la longitud del metal sin soporte más allá de la cara de la matriz no debe exceder el diámetro de la barra.

Forjado en caliente automático

El proceso automático de forja en caliente implica la alimentación de barras de acero de longitud laminada (típicamente de 7 m (23 pies) de largo) en un extremo de la máquina a temperatura ambiente y los productos forjados en caliente emergen del otro extremo. Todo esto ocurre rápidamente; se pueden fabricar piezas pequeñas a una velocidad de 180 partes por minuto (ppm) y se pueden fabricar piezas más grandes a una velocidad de 90 ppm. Las piezas pueden ser sólidas o huecas, redondas o simétricas, de hasta 6 kg (13 lb) y de hasta 18 cm (7,1 pulgadas) de diámetro. Las principales ventajas de este proceso son su alta tasa de producción y la capacidad de aceptar materiales de bajo costo. Se requiere poca mano de obra para operar la maquinaria.

No se produce rebaba, por lo que el ahorro de material es de entre un 20 y un 30% con respecto al forjado convencional. El producto final tiene una temperatura constante de 1.050 ° C (1.920 ° F), por lo que el enfriamiento por aire dará como resultado una pieza que aún se puede mecanizar fácilmente (la ventaja es la falta de recocido requerido después del forjado). Las tolerancias son generalmente de ± 0.3 mm (0.012 in), las superficies están limpias y los ángulos de desmoldeo son de 0.5 a 1 °. La vida útil de la herramienta es casi el doble que la del forjado convencional porque los tiempos de contacto son del orden de 0,06 segundos. La desventaja es que este proceso solo es factible en partes y costos simétricos más pequeños; la inversión inicial puede superar los $ 10 millones, por lo que se requieren grandes cantidades para justificar este proceso. [20]

El proceso comienza calentando la barra de 1200 a 1300 ° C (de 2190 a 2370 ° F) en menos de 60 segundos utilizando bobinas de inducción de alta potencia. Luego se descalcifica con rodillos, se cizalla en espacios en blanco y se transfiere a través de varias etapas de formación sucesivas, durante las cuales se remueve, se preforma, se forja finalmente y se perfora (si es necesario). Este proceso también se puede combinar con operaciones de conformado en frío de alta velocidad. Generalmente, la operación de conformado en frío hará la etapa de acabado para que se puedan obtener las ventajas del trabajo en frío, mientras se mantiene la alta velocidad del forjado en caliente automático. [21]

Ejemplos de piezas fabricadas mediante este proceso son: cojinetes de unidad de cubo de rueda, engranajes de transmisión, pistas de cojinetes de rodillos cónicos, bridas de acoplamiento de acero inoxidable y anillos de cuello para cilindros de gas LP. [22] Los engranajes de transmisión manual son un ejemplo de forjado en caliente automático utilizado junto con el trabajo en frío. [23]

Forja en rollo

La forja por laminación es un proceso en el que el material en barras redondas o planas se reduce en grosor y aumenta en longitud. El forjado con rodillo se realiza utilizando dos rodillos cilíndricos o semicilíndricos, cada uno de los cuales contiene una o más ranuras perfiladas. Se inserta una barra calentada en los rollos y cuando golpea un punto, los rollos giran y la barra se forma progresivamente a medida que se enrolla a través de la máquina. Luego, la pieza se transfiere al siguiente conjunto de ranuras o se da la vuelta y se vuelve a insertar en las mismas ranuras. Esto continúa hasta lograr la forma y el tamaño deseados. La ventaja de este proceso es que no hay rebabas e imparte una estructura de grano favorable a la pieza de trabajo. [24]

Ejemplos de productos fabricados con este método incluyen ejes , palancas cónicas y ballestas .

Forjado en forma de red y casi en forma de red

Este proceso también se conoce como forja de precisión . Fue desarrollado para minimizar el costo y el desperdicio asociados con las operaciones de post-forjado. Por lo tanto, el producto final de una forja de precisión necesita poco o ningún mecanizado final. Los ahorros de costos se obtienen mediante el uso de menos material y, por lo tanto, menos desechos, la disminución general de la energía utilizada y la reducción o eliminación del mecanizado. La forja de precisión también requiere menos calado, de 1 ° a 0 °. La desventaja de este proceso es su costo, por lo tanto, solo se implementa si se puede lograr una reducción significativa de costos. [25]

Forja en frio

La forja de forma cercana a la red es más común cuando las piezas se forjan sin calentar el lingote, la barra o el tocho. El aluminio es un material común que se puede forjar en frío según la forma final. La lubricación de las piezas que se forman es fundamental para aumentar la vida útil de las matrices de acoplamiento.

Forja por inducción

A diferencia de los procesos anteriores, el forjado por inducción se basa en el tipo de estilo de calentamiento utilizado. Muchos de los procesos anteriores se pueden utilizar junto con este método de calentamiento.

Forja multidireccional

La forja multidireccional consiste en formar una pieza de trabajo en un solo paso en varias direcciones. El conformado multidireccional se realiza mediante medidas constructivas de la herramienta. El movimiento vertical del pistón de la prensa se redirige mediante cuñas que distribuyen y redirigen la fuerza de la prensa de forja en direcciones horizontales. [26]

Forja isotérmica

La forja isotérmica es un proceso mediante el cual los materiales y la matriz se calientan a la misma temperatura ( iso significa "igual"). El calentamiento adiabático se utiliza para ayudar en la deformación del material, lo que significa que las tasas de deformación están altamente controladas. Se utiliza comúnmente para forjar aluminio, que tiene una temperatura de forjado más baja que los aceros. Las temperaturas de forja para el aluminio son de alrededor de 430 ° C (806 ° F), mientras que los aceros y superaleaciones pueden estar entre 930 y 1260 ° C (1710 y 2300 ° F). [1]

Beneficios:

  • Formas cercanas a la red que conducen a menores requisitos de mecanizado y, por lo tanto, menores tasas de desechos
  • Reproducibilidad de la pieza
  • Debido a la menor pérdida de calor, se pueden utilizar máquinas más pequeñas para hacer la forja.

Desventajas:

  • Costos de material de matriz más altos para manejar temperaturas y presiones
  • Se requieren sistemas de calefacción uniformes
  • Atmósferas protectoras o vacío para reducir la oxidación de las matrices y el material.
  • Tasas de producción bajas

Forja de acero

Dependiendo de la temperatura de formación, la forja del acero se puede dividir en: [27]

  • Forja en caliente de acero
    • Temperaturas de forjado por encima de la temperatura de recristalización entre 950 y 1250 ° C
    • Buena conformabilidad
    • Fuerzas de conformado bajas
    • Resistencia a la tracción constante de las piezas de trabajo
  • Forjado en caliente de acero
    • Temperaturas de forjado entre 750 y 950 ° C
    • Menos o ninguna incrustación en la superficie de la pieza de trabajo
    • Se pueden lograr tolerancias más estrechas que en la forja en caliente
    • Capacidad de conformado limitada y fuerzas de conformado más altas que para el forjado en caliente
    • Fuerzas de conformado más bajas que en el conformado en frío
  • Forja en frío de acero
    • Temperaturas de forja en condiciones ambientales, autocalentamiento hasta 150 ° C debido a la energía de formación
    • Tolerancias más estrechas alcanzables
    • Sin incrustaciones en la superficie de la pieza de trabajo
    • Aumento de la resistencia y disminución de la ductilidad debido al endurecimiento por deformación.
    • Son necesarias una baja conformabilidad y altas fuerzas de conformación

Para procesos industriales, las aleaciones de acero se forjan principalmente en caliente. El latón, bronce, cobre, metales preciosos y sus aleaciones se fabrican mediante procesos de forjado en frío, mientras que cada metal requiere una temperatura de forjado diferente.

Forja de aluminio

  • La forja de aluminio se realiza en un rango de temperatura entre 350 y 550 ° C.
  • Las temperaturas de forjado por encima de 550 ° C están demasiado cerca de la temperatura de solidus de las aleaciones y, junto con deformaciones efectivas variables, conducen a superficies desfavorables de la pieza de trabajo y potencialmente a una fusión parcial, así como a la formación de pliegues. [28]
  • Las temperaturas de forjado por debajo de 350 ° C reducen la conformabilidad al aumentar el límite elástico, lo que puede provocar matrices sin relleno, grietas en la superficie de la pieza de trabajo y mayores fuerzas de matriz.

Debido al estrecho rango de temperatura y la alta conductividad térmica, el forjado de aluminio solo se puede realizar en una ventana de proceso en particular. Para proporcionar buenas condiciones de conformado, es necesaria una distribución de temperatura homogénea en toda la pieza de trabajo. Por tanto, el control de la temperatura de la herramienta tiene una gran influencia en el proceso. Por ejemplo, optimizando las geometrías de las preformas, se puede influir en las deformaciones efectivas locales para reducir el sobrecalentamiento local y lograr una distribución de temperatura más homogénea. [29]

Aplicación de piezas forjadas de aluminio.

Las aleaciones de aluminio de alta resistencia tienen la resistencia a la tracción de las aleaciones de acero de resistencia media al mismo tiempo que brindan importantes ventajas de peso. Por lo tanto, las piezas forjadas de aluminio se utilizan principalmente en la industria aeroespacial, automotriz y muchos otros campos de la ingeniería, especialmente en aquellos campos, donde se necesitan los más altos estándares de seguridad contra fallas por abuso, golpes o tensiones vibratorias. Tales piezas son, por ejemplo, pistones, [ cita requerida ] piezas de chasis, componentes de dirección y piezas de freno. Las aleaciones más utilizadas son AlSi1MgMn ( EN AW-6082 ) y AlZnMgCu1,5 ( EN AW-7075 ). Aproximadamente el 80% de todas las piezas forjadas de aluminio están hechas de AlSi1MgMn. La aleación de alta resistencia AlZnMgCu1,5 se utiliza principalmente para aplicaciones aeroespaciales. [30]

Forja de magnesio

  • La forja de magnesio se produce en un rango de temperatura entre 290 y 450 ° C [31]

Las aleaciones de magnesio son más difíciles de forjar debido a su baja plasticidad, baja sensibilidad a las velocidades de deformación y temperatura de formación estrecha. [32] El uso de forjado en caliente con matriz semiabierta con una prensa de forjado de tres correderas (TSFP) se ha convertido en un método de forjado recientemente desarrollado para la aleación AZ31 de Mg-Al, comúnmente utilizado en la formación de soportes de aviones. [33] [34] Este método de forjado ha demostrado mejorar las propiedades de tracción, pero carece de un tamaño de grano uniforme. [35] [36] Aunque la aplicación de aleaciones de magnesio aumenta en un 15-20% cada año en la industria aeroespacial y automotriz, forjar aleaciones de magnesio con matrices especializadas es costoso y un método inviable para producir piezas para un mercado masivo. En cambio, la mayoría de las piezas de aleación de magnesio para la industria se producen mediante métodos de fundición.

Martillo de caída hidráulico
(a) Flujo de material de un disco forjado convencionalmente; (b) Flujo de material de un disco impactador forjado

El tipo más común de equipo de forja es el martillo y el yunque. Los principios detrás del martillo y el yunque todavía se utilizan hoy en día en los equipos de martillo de caída . El principio detrás de la máquina es simple: levantar el martillo y dejarlo caer o propulsarlo hacia la pieza de trabajo, que descansa sobre el yunque. Las principales variaciones entre los martillos de caída están en la forma en que se acciona el martillo; los más comunes son los martillos de aire y de vapor. Los martillos de caída suelen operar en posición vertical. La razón principal de esto es el exceso de energía (energía que no se usa para deformar la pieza de trabajo) que no se libera ya que el calor o el sonido deben transmitirse a la base. Además, se necesita una gran base de máquina para absorber los impactos. [10]

Para superar algunas deficiencias del martillo de caída, se utiliza la máquina de contragolpe o el impactador . En una máquina de contragolpe, tanto el martillo como el yunque se mueven y la pieza de trabajo se sujeta entre ellos. Aquí el exceso de energía se convierte en retroceso. Esto permite que la máquina funcione horizontalmente y tenga una base más pequeña. Otras ventajas incluyen menos ruido, calor y vibraciones. También produce un patrón de flujo claramente diferente. Ambas máquinas se pueden utilizar para la forja de matriz abierta o de matriz cerrada. [37]

Prensas de forja

Una prensa de forja , a menudo llamada simplemente prensa, se utiliza para forjar en prensa. Hay dos tipos principales: prensas mecánicas e hidráulicas. Las prensas mecánicas funcionan mediante el uso de levas, manivelas y / o conmutadores para producir un preajuste (una fuerza predeterminada en un lugar determinado de la carrera) y una carrera reproducible. Debido a la naturaleza de este tipo de sistema, diferentes fuerzas están disponibles en diferentes posiciones de carrera. Las prensas mecánicas son más rápidas que sus homólogas hidráulicas (hasta 50 golpes por minuto). Sus capacidades van de 3 a 160 MN (300 a 18.000 toneladas cortas-fuerza). Las prensas hidráulicas utilizan presión de fluido y un pistón para generar fuerza. Las ventajas de una prensa hidráulica sobre una prensa mecánica son su flexibilidad y mayor capacidad. Las desventajas incluyen una máquina más lenta, más grande y más costosa de operar. [dieciséis]

Los procesos de laminado, recalcado y forjado en caliente automático utilizan maquinaria especializada.

Lista de prensas de forja grandes, por tamaño de lingote [2] [38]
Fuerza
( toneladas )		Tamaño de lingote
( toneladas )		Empresa Localización
16.500 600 Grupo eléctrico de Shanghai [39]Shanghái , China
16 000 600 Grupo Nacional Erzhong de China [39]Deyang , China
14.000 600 Fábrica de acero de Japón Japón
15.000 580 Primer grupo de industrias pesadas de China [40]Heilongjiang , China
13.000 Doosan Corea del Sur
Lista de grandes prensas de forja, por fuerza
Fuerza
( toneladas )		Fuerza
( toneladas )		Tamaño de lingote
( toneladas )		Empresa Localización
80.000 (88.200) > 150 China Erzhong [39]Deyang , China
75.000 (82,690) VSMPO-AVISMA Rusia
65.000 (71.660) Aubert y Duval [41] [42]Issoire , Francia
53.500 (60.000) Weber Metals, Inc. [43]California , Estados Unidos
(45,350) 50.000 20 Alcoa , [44] [45] Wyman Gordon [46] [47]EE.UU
40.000 (44,100) Aubert y Duval [41]Pamiers , Francia
30.000 (33.080) 8 Wyman Gordon [48]Livingston , Escocia
30.000 (33.070) Weber Metals, Inc. [49]California , Estados Unidos
30.000 (33.070) Howmet Aerospace [50]Georgia , Estados Unidos

  • Fundición
  • Tallaje en frío
  • Escama de martillo
  • Tixoformado
  • Temperatura de forja

  1. ↑ a b c d Degarmo, pág. 389
  2. ↑ a b Heavy Manufacturing of Power Plants World Nuclear Association , septiembre de 2010. Consultado el 25 de septiembre de 2010.
  3. ^ "Forja: los primeros años" . All Metals & Forge Group . Consultado el 1 de octubre de 2013 .
  4. ↑ a b c d Degarmo, pág. 392
  5. ^ http://www.scotforge.com/Why-Forging/Casting-Conversions
  6. ^ "Tipos de procesos de forja" .
  7. ^ Degarmo, pág. 373
  8. ^ Degarmo, pág. 375
  9. ↑ a b Degarmo, pág. 391
  10. ^ a b c Degarmo, pág. 390
  11. ^ "Forjar formas" . All Metals & Forge Group . Consultado el 1 de octubre de 2013 .
  12. ^ "Ventajas del cigüeñal forjado" . Forja de los Grandes Lagos . Consultado el 28 de febrero de 2014 .
  13. ^ "Ventajas de la forja" (PDF) . Frisa .
  14. ^ Acero fundido: forja , archivado desde el original el 18 de febrero de 2009 , consultado el 3 de marzo de 2010
  15. ^ Kaushish, JP (2008), Procesos de fabricación , PHI Learning, pág. 469, ISBN 978-81-203-3352-9
  16. ^ a b c d e f g Degarmo, pág. 394
  17. ^ a b c Degarmo, pág. 393
  18. ↑ a b c d Degarmo, pág. 395
  19. ^ Degarmo, págs. 395–396
  20. ^ Degarmo, págs. 396–397
  21. ^ Degarmo, pág. 396
  22. ^ Precisión de forja en caliente. Archivado el 20 de octubre de 2008 en la Wayback Machine . Samtech. Consultado el 22 de noviembre de 2007.
  23. ^ Forja compuesta de precisión Archivado el 17 de abril de 2008 en la Wayback Machine . Samtech. Consultado el 22 de noviembre de 2007.
  24. ^ Degarmo, págs. 397–398
  25. ^ Degarmo, pág. 398
  26. ^ Behrens, Stonis, Rüther, Blohm: Forjado reducido con flash de piezas complicadas de alta resistencia mediante operaciones de preformado , IPH - Institut für Integrierte Produktion Hannover gGmbH, Hannover, 2014
  27. ^ Doege, E., Behrens, B.-A .: Handbuch Umformtechnik: Grundlagen, Technologien, Maschinen (en alemán), Springer Verlag, 2010, p. 7
  28. ^ Doege, E .; Behrens, B.-A .: Handbuch Umformtechnik: Grundlagen, Technologien, Maschinen , Springer Verlag, 2010, págs. 671 y sig.
  29. ^ Stonis, M .: Mehrdirektionales Schmieden von flachen Aluminiumlangteilen (en alemán), en: Behrens, B.-A .; Nyhuis, P .; Overmeyer, L. (ed.): Berichte aus dem IPH, Volumen 01/2011, PZH Produktionstechnisches Zentrum GmbH, Garbsen 2011.
  30. ^ Richter, J .; Stonis, M .: Qualitätsverbesserung beim Aluminiumschmieden (en alemán), In Aluminium Praxis, Giesel Verlag GmbH, Volumen 20 (2015), Edición 6/15, p. 20.
  31. ^ Papenberg, Nikolaus P et al. "Aleaciones de magnesio para aplicaciones de forja: una revisión". Materiales (Basilea, Suiza) vol. 13,4 985.22 de febrero de 2020, doi: 10.3390 / ma13040985
  32. ^ Papenberg, Nikolaus P et al. "Aleaciones de magnesio para aplicaciones de forja: una revisión". Materiales (Basilea, Suiza) vol. 13,4 985.22 de febrero de 2020, doi: 10.3390 / ma13040985
  33. ^ Dziubińska, A., Gontarz, A., Dziubiński, M. y Barszcz, M. (2016). LA FORMACIÓN DE FORJAS DE ALEACIÓN DE MAGNESIO PARA APLICACIONES AERONAVES Y AUTOMOTRICES. Revista de Investigación de Avances en Ciencia y Tecnología. https://doi.org/10.12913/22998624/64003
  34. ^ Dziubinska, A. y Gontarz, A. (2015). Un nuevo método para producir soportes de avión de doble nervadura de aleación de magnesio. Ingeniería Aeronáutica y Tecnología Aeroespacial. https://doi.org/10.1108/AEAT-10-2013-0184
  35. ^ Dziubinska, A., Gontarz, A. y Zagórski, I. (2018). Investigación cualitativa sobre los soportes de avión de aleación de magnesio AZ31 con una nervadura triangular producidos por un nuevo método de forjado. Ingeniería Aeronáutica y Tecnología Aeroespacial. https://doi.org/10.1108/AEAT-09-2016-0160
  36. ^ Dziubińska, A., Gontarz, A., Horzelska, K. y Pieśko, P. (2015). La microestructura y las propiedades mecánicas de los soportes de avión de aleación de magnesio AZ31 producidos por una nueva tecnología de forjado. Procedia Manufacturing. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2015.07.059
  37. ^ Degarmo, págs. 392–393
  38. ^ Kidd, Steve. Nueva construcción nuclear: ¿capacidad de suministro suficiente? Archivado el 13 de junio de 2011 en Wayback Machine Nuclear Engineering International , 3 de marzo de 2009. Consultado el 25 de septiembre de 2010.
  39. ^ a b c "Fragua de prensa más grande del mundo de construcción de China" . China Tech Gadget . 27 de octubre de 2011 . Consultado el 12 de febrero de 2012 .
  40. ^ "Prensa hidráulica de forja 15000MN más grande del mundo" . China Tech Gadget . 3 de noviembre de 2011 . Consultado el 15 de mayo de 2012 .
  41. ^ a b "Aleaciones de Eramet" . Archivado desde el original el 10 de diciembre de 2010 . Consultado el 18 de mayo de 2012 .
  42. ^ Altan, Taylan (1983). Viabilidad de utilizar una prensa grande (80.000 - 200.000 toneladas) para fabricar componentes futuros en sistemas militares . pag. 12.
  43. ^ Dean M. Peters (10 de diciembre de 2018). "Nueva prensa hidráulica de 60.000 toneladas de Weber Metals" . Revista Forge . Consultado el 25 de abril de 2020 .
  44. ^ Heffernan, Tim (8 de febrero de 2012). "Gigante de Hierro" . El Atlántico . Consultado el 12 de febrero de 2012 .
  45. ^ Prensa de forja de matriz cerrada de 50.000 toneladas (PDF) . Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos. 1981. Archivado desde el original (PDF) el 27 de febrero de 2012 . Consultado el 15 de mayo de 2012 . Historia de la Prensa Mesta en Alcoa
  46. ^ Prensa de forja Wyman-Gordon de 50.000 toneladas (PDF) . Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos. 1983. Archivado desde el original (PDF) el 1 de febrero de 2015. Historia de Loewy Press en Wyman-Gordon
  47. ^ Edson, Peter (18 de abril de 1952). "Revolucionaria prensa de metal reduce el costo de aviones y armas" . Diario de Sarasota . Consultado el 12 de febrero de 2012 .
  48. ^ "Wyman Gordon Livingston" . Consultado el 18 de mayo de 2012 .
  49. ^ "Weber Metals" . Consultado el 18 de julio de 2013 .
  50. ^ "Howmet Aerospace" . Consultado el 18 de mayo de 2012 .

Bibliografía

  • Degarmo, E. Paul; Negro, JT; Kohser, Ronald A. (2011). Materiales y procesos en la fabricación (11ª ed.). Wiley. ISBN 978-0-470-92467-9.
  • Doege, E .; Behrens, B.-A .: Handbuch Umformtechnik: Grundlagen, Technologien, Maschinen (en alemán), 2a edición, Springer Verlag, 2010, ISBN  978-3-642-04248-5
  • Ostermann, F .: Anwendungstechnologie Aluminium (en alemán), tercera edición, Springer Verlag, 2014, ISBN  978-3-662-43806-0

  • Glosario de términos y definiciones de forja
  • Evidencias de la historia de la forja