4_M2_2020-2 pres_FORJA - Axel

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Nuevos materiales:
una odisea de 35.000 años
del homo habilis al homo sapiens
Manufactura II
Conformado mecánico de los metales 
Forja
Semestre 2020-2
Se define a un proceso de conformado mecánico como
aquel en donde se produce un elemento terminado o
semiterminado, mediante la deformación plástica del
material.
Manufactura II
Conformado mecánico de los metales 
Forja
Semestre 2020-2
Procesos de Conformado Mecánico
Por las condiciones del proceso (temperatura y velocidad de
deformación) estos se clasifican como:
Trabajo en caliente: Temperatura de proceso mayor de 0.75 Tf
NO existe endurecimiento
Trabajo en frio (se presenta endurecimiento); generalmente
se desarrolla a temperatura ambiente. Existe endurecimiento.
Trabajo en tibio, 0.30 a 0.60 la temp de fusión
Manufactura II
Conformado mecánico de los metales 
Forja
Semestre 2020-2
Procesos de Conformado Mecánico
Conformado Mecánico:
En función del tipo de carga que produce la 
deformación se tiene:
1. Esfuerzos de compresión, forja
2. Esfuerzos de compresión inducida o indirecta, extrusión
3. Esfuerzos inducidos de Tracción; embutido
4. Tracción biaxial, estirado de lámina
5. Esfuerzos de corte, troquelado.
Forja libre o 
abierta
En caliente, se 
tiene grandes 
deformaciones, 
por ejemplo:
• Procesos Primarios; Grandes deformaciones, 
normalmente realizadas en caliente; FORJA 
• Procesos Secundarios o de acabado; se 
obtiene la forma final, son procesos en frío. 
CALIBRADO
También se pueden clasificar de acuerdo con la 
características del proceso
Manufactura II
Conformado mecánico de los metales 
Principios generales
Semestre 2020-2
Forja: proceso de conformado mecánico más antiguo.
Vulcano forjando las 
armas de Aquiles 
[Giulio Romano 1499-
1546, colección Value 
Art]
Forja
Su definición
Proceso en el que se producen piezas de sección transversal
irregular de distintos tamaños (desde un remache hasta un
rotor), mediante la compresión de un bloque metálico
(tocho).
Dimensiones, geometrías y pesos muy variados.
Medidas finales que sería imposible obtener mediante otras
operaciones.
Facilidad y rapidez de maquinado.
Manufactura II
Conformado mecánico de los metales 
Forja
Semestre 2020-2
Forja.
Proceso de deformación más antiguo
Manufactura II
Conformado mecánico de los metales 
Forja
Semestre 2020-2
La forja → forma más antigua de trabajar los metales
→Labor de herreros en fraguas de tiempos mitológicos. 
→ En su origen → Deformación del (hierro) por efecto de martilleo del 
material a deformar sobre el yunque 
Aspecto de las operaciones de forja tales como se realizó ésta desde tiempos 
inmemoriales.
Derecha: forja de una armadura durante la Edad Media. La revolución industrial permitió
sustituir la fuerza del herrero por la de las máquinas (izquierda).
Manufactura II
Conformado mecánico de los metales 
Forja
Semestre 2020-2
Forja: Clasificación
Por las condiciones del proceso Frío
Caliente
FORJA Por las características de las 
herramientas
Matriz abierta
Matriz cerrada
Forja con rodillos
Manufactura II
Conformado mecánico de los metales 
Forja
Semestre 2020-2
Forja en frío
•En este método no se calienta la pieza de trabajo pero la maquinaria
usada es más compleja.
•Fundamentalmente se efectúan operaciones de acabado o aquellas
que se caracterizan por pequeños porcentajes de deformación.
•Esto se debe a los problemas que se presentan por el
endurecimiento del material al pretender elevadas deformaciones.
Materiales usualmente forjados
•Aceros inoxidables
•Aceros refractarios
•Aluminio y aleaciones de aluminio
•Cobre y sus aleaciones
•Magnesio y sus aleaciones
•Titanio y sus aleaciones
•Níquel y sus aleaciones
•Algunas aleaciones de materiales refractarios tales como el tungsteno, niobio, y el 
molibdeno
Materiales usualmente forjados
La forjabilidad en los aceros estará determinada por su contenido de carbono y de 
otros aleantes. Se pueden clasificar como:
Aceros de forja normal.
C < 0.66% y Mn + Ni + Cr + Mo + V + W < 6% 
Aceros de forja difícil.
C > 0.66% o Mn + Ni + Cr + Mo + V + W > 6% 
Piezas forjadas
Manufactura II
Conformado mecánico de los metales 
Forja
Semestre 2019-2
Febrero de 2019
Piezas forjadas
Manufactura II
Conformado mecánico de los metales 
Forja
Semestre 2019-2
Febrero de 2019
Piezas forjadas
Imagen tomada 
de 
www.cafor.org.ar
Cámara del 
forjado de la 
República 
Argentina
http://www.cafor.org.ar/
Piezas forjadas
Imagen tomada de TORNILLERIA 
ESPECIAL Y PIEZAS FORJADAS
VICENTE MOLINER, S.A. :
Manufactura II
Conformado mecánico de los metales 
Forja
Semestre 2019-2
Febrero de 2019
Piezas forjadas
Imagen tomada de www.bruck-forgings.com:
Manufactura II
Conformado mecánico de los metales 
Forja
Semestre 2019-2
Febrero de 2019
Piezas forjadas
Imagen tomada de www.bruck-
forgings.com:
Manufactura II
Semestre 2018-2
FORJA
• El material se deforma entre dos dados, de tal manera que la forma del dado se 
imprima para obtener la geometría deseada (forja en estampa). 
• Geometrías simples (forja libre). Grandes deformaciones, por lo tanto 
generalmente en caliente; aunque puede ser en frío. 
Manufactura II
Conformado mecánico de los metales 
Forja
Semestre 2019-2
Febrero de 2019
• Experiencia
• Dibujo • Fabricación • Producción
Geometría final→Geometría de forja→Geometría del dado
No existe
Modelar
Manufactura II
Conformado mecánico de los metales 
Forja
Semestre 2019-2
Febrero de 2019
• Tamaño 
de lote
• Materia prima
• Diseño del 
proceso
• Fabricación, ajuste y 
prueba del herramental
• Etapas 
intermedias
• Producto final
1. Definición de etapas
2. Diseño de 
herramentales
• Producción
¿Cómo se procede?
• Restricciones
• Tamaño del lote
• Fecha de entrega
• Facilidades
¿Cómo se procede?
Costo/No piezas
Personal más experimentado en el proceso, 
equipo a disposición, fabricación
Manufactura II
Conformado mecánico de los metales 
Forja
Semestre 2019-2
Febrero de 2019
• Definición de 
etapas 
intermedias
• Sistemas 
expertos
• Diseño
• Formado 
Final
• Simulación• Diseño Solución numérica
• Análisis de la carga necesaria deformación plástica
• Análisis de flujo
• Análisis de transferencia de calor
• Análisis de microestructura
(fricción)
Manufactura II
Conformado mecánico de los metales 
Forja
Semestre 2019-2
Febrero de 2019
Dado para la forja
Tomado de EST Tool & Machine, Inc
FORJA EN 
ESTAMPA
Dado para la forja
Manufactura I
Semestre 2018-1
28 de agosto de 2017
Procesos de Deformación Plástica
Manufactura II
Semestre 2018-2
FORJA
Forja en estampa
Manufactura II
Semestre 2018-2
FORJA
Por su atención
Forja en estampa
Manufactura II
Semestre 2018-2
FORJA
Forge Technology, Inc.
• Definición de 
etapas 
intermedias
• Sistemas 
expertos
• Diseño
• Formado 
Final
• Simulación• Diseño Solución numérica
• Análisis de la carga necesaria def. plástica
• Análisis de flujo
• Análisis de transferencia de calor
• Análisis de microestructura
(fricción)
Manufactura II
Conformado mecánico de los metales 
Forja
Semestre 2019-2
Febrero de 2019
Forja libre
Manufactura II
Conformado mecánico de los metales 
Forja
Semestre 2019-2
Febrero de 2019
Forja libre
Manufactura II
Semestre 2018-2
FORJA
Piezas forjadas
Imagen tomada de www.bruck-forgings.com:
Piezas forjadas
Imagen tomada de spanish.forging-suppliers.com
Forja libre o abierta
Manufactura II
Conformado mecánico de los metales 
Forja
Semestre 2019-2
Febrero de 2019
Martillo o martinete para forja
Prensa hidráulica para forja
Martillo de forja
Prensa para forja en estampaMartillo de bastidor abierto
Prensa Mecánica con 
accionamiento de tuerca-
husillo
Prensa hidráulica 
para forja abierta 
Imagen de FAGOR ARRASATE 
Coorporacion MONDRAGÓN , 
ESPAÑA
Forja Libre.
Manufactura II
Conformado mecánico de los metales 
Forja
Semestre 2019-2
Febrero de 2019
Forja con rodillos
Manufactura II
Conformadomecánico de los metales 
Forja
Semestre 2019-2
Febrero de 2019
Imagen tomada de 
www.bruck-forgings.com:
Piezas forjadas
FORJA EN ESTAMPA
Factor de Complejidad de la Forja
Tipo de Forja
C
Forja libre o abierta (Estampas planas)
1.2 a 2.5
Forja en estampa de formas simples
3.0 a 8.0
Forja en estampa de geometrías complejas
8.0 a 12
0P = AC
Manufactura II
Conformado mecánico de los metales 
Forja
Semestre 2019-2
Febrero de 2019
Forja libre:
La relación de mordedura es el parámetro que usan los operadores de 
las máquinas para saber las dimensiones de dichos alargamientos y 
extensiones.
Relación de mordedura =
b
W
 
0
donde: 
W0 = ancho inicial de la pieza
b = Longitud que va a ser deformada (largo de la herramienta)
0ln
f
h
h
 =Deformación
0
1 f nk d


  

=
 
Esfuerzo promedio durante el 
proceso
Manufactura II
Semestre 2018-2
FORJA
La relación de mordedura es el parámetro que usan los operadores de las máquinas para saber 
las dimensiones de dichos alargamientos y extensiones. 
 
Relación de mordedura =
b
W
 
0
 
donde: 
W0 = ancho inicial de la pieza 
b = Longitud que va a ser deformada (long. deformada) 
 
tanto el alargamiento como la extensión pueden ser definidos de la siguiente manera: 
( )
min
aumentodel ancho
Coeficientedeensanchamiento S =
dis ucióndel espesor
 
Del trabajo experimental de Oliver y Ortiz1 se tiene que: 
S =0.183+0.325m-0.041m
2 
Para 0.6 < m < 2 
S =
m
1+1.065m
 
Para m > 2 y m< 0.62 
donde: 
Lo - Longitud inicial 
L1 - Longitud final 
W0 - Ancho inicial 
W1 - Ancho final 
De lo anterior se observa que si S = 1 sólo existirá ensanchamiento, y si S = 0 sólo habrá 
alargamiento. 
 
1
 Olliver Sánchez Gerardo. Análisis de la deformación y de los esfuerzos en un proceso de forja abierta. Tesis 
profesional 1990. 
2 Para evitar problemas por falta de homogeneidad, el cociente de mordedura se recomienda sea mayor que 0.3. 
Para Forja libre se tiene:
Tomado del Texto Procesos de Manufactura,; Ortiz Prado A., Ortiz Valera J.A., Ruiz Cervantes O.
Manufactura II
Semestre 2018-2
FORJA
Complejidad 
Geométrica
Para el caso de forja en 
estampa se debe de 
considerar la complejidad 
geométrica de la pieza, esta 
depende de la forma y de la 
complejidad de ésta
Para forja libre se puede demostrar (deformación biaxial):
*
0
22 e
(2 a)
hp = -1
(2a / h)




 
=  
 
Manufactura II
Conformado mecánico de los metales 
Forja
Semestre 2019-2
Febrero de 2019
La presión de forma varia exponencialmente con el cociente de la dimensión a 
incrementar (2a) entre la dimensión a disminuir (h), donde el coeficiente de fricción 
() también influye exponencialmente.
Esta expresión permite calcular la presión de deformación para cualquier caso, sin 
embargo, la forma de definir el ancho (2a) y la altura (h) se modifican.
Para el caso de forja en estampa 
habrá que considerar :
• 1. Número de piezas que van a producirse, geometría y peso de 
éstas
• 2. Material de las piezas
• 3. Equipo disponible
• 4. Número y configuración de los pasos de preformado (Para esto 
será necesario definir el número de piezas, las características del 
material de partida, el equipo y las tolerancias de la forja).
• 5. Dimensiones de la rebaba en preformas y pasos acabadores 
• 6. Carga y energía para cada operación de forja
• 7. Tolerancias requeridas, así como el acabado
Forja en estampa
Si bien la forma más aproximada para el análisis de de la carga, 
deformación y desplazamientos, para forja en estampa, es por 
MEF, con la finalidad de tener una primera aproximación y para 
comparar los resultados se presentan en las siguientes páginas el 
mecanismo de diseño de un dado. 
1. Determinar las dimensiones y geometría de la pieza a forjar 
1.1 Con base en el número de piezas a forjar y considerando la complejidad 
es necesario definir el número de etapas previas de preformado. Su función 
es distribuir el material para la etapa final.
1.2 Sobreespesor por maquinado
1.3 Sobreespesor por contracción, para esto es necesario considerar la 
temperatura de fin de forja y el coeficiente de dilatación
TABLA 6.6 Coeficientes de Dilatación Térmica 
 
Material 
Coeficiente de 
Dilatación Lineal 
(α)(°C-1) 
Acero 11.0x10-6 
Aluminio 23.8x10-6 
Bronce 17.6x10-6 
Cobre 16.6x10-6 
Latón 18.6x10-6 
 
Forja en estampa
1. Determinar las dimensiones y geometría de la pieza a forjar 
1.4 Ángulo de salida 1 a 3° para superficies exteriores y de 3° a 7° superficies 
interiores.
1.5 Analizar las líneas de flujo del material
1.6 Definir los máximos radios en las zonas de difícil llenado.
1.7 Definir línea de partición
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Conformado mecánico de los metales 
Forja
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Febrero de 2019
Forja en estampa
Tipo de rebaba
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Forja
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Forja en estampa
Tipo de rebaba
h) Determinación de la carga requerida para la forja. El último paso en el proceso de diseño lo 
representa la determinación de la carga para el proceso, esto se hace con la finalidad de 
seleccionar un equipo con la capacidad requerida, la carga aplicada es entonces: 
f p r rP p A p A= + 
donde: 
P = Carga de forja (ton) 
pA = Sección transversal de la pieza 
fp = Presión necesaria para el correcto llenado de la cavidad 
rA = Sección transversal de la rebaba, se calcula como: 
rA = perímetro x ancho del cordón 
rp = Presión ejercida sobre el cordón de la rebaba, ésta se calcula con la constante: 
2
r0 Q
r
r
Kr = o p = ( -1)e
Q
 

 
2
rQ =


 
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Forja
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Forja en estampa
Considerando la condición más simple, como es una rebaba plana y que el plano 
de partición se encuentra en la parte media de la pieza, además de que ésta no 
tiene proyecciones:
Manufactura II
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FORJA
TABLA 6.11 Ancho recomendado para el cordón de rebaba en función del ancho o del diámetro de 
la pieza 
 
 
 e/2 
R b 
4 a 6 3 20 
7 3 22 
8 3 24 
9 3.6 26 
10 4 28 
12 6 32 
14 6 36 
16 8 44 
 
Características de la Rebaba
 
Valores de   Anchura del Cordón 
de la Matriz (mm) 
Prensa 
40 
60 
60 
70 
80 
90 
100 
120 
140 
160 
180 
200 
220 
240 
260 
280 
300 
360 
400 
460 
4 
4.6 
6 
6.6 
6 
6.6 
7 
7.6 
8 
8.6 
9 
9.6 
10 
11 
12 
13 
14 
16 
17 
18 
Ancho de la rebaba en función del ancho ó
diámetro de la pieza
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Forja
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Forja en estampa
El cálculo se complica cuando existen proyecciones ya que habrá que sumar 
una carga necesaria para la extrusión
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Forja en estampa
Asimismo se tendrá que incrementar la carga en función de la colocación de la 
proyección (en el centro, en el borde, en una posición intermedia
Manufactura II
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Forja
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Febrero de 2019
h) Determinación de la carga requerida para la forja. El último paso en el proceso de diseño lo 
representa la determinación de la carga para el proceso, esto se hace con la finalidad de 
seleccionar un equipo con la capacidad requerida, la carga aplicada es entonces: 
f p r rP p A p A= + 
donde: 
P = Carga de forja (ton) 
pA = Sección transversal de la pieza 
fp = Presión necesaria para el correcto llenado de la cavidad 
rA = Sección transversal de la rebaba, se calcula como: 
rA = perímetro x ancho del cordón 
rp = Presión ejercida sobre el cordón de la rebaba, ésta se calcula con la constante: 
2
r0 Q
r
r
Kr = o p = ( - 1)e
Q
e s
l
 
2
rQ =
µl
e
 
Como ya ha sido mencionado la carga de forja está dada
por la presión necesaria para llenar la cavidad principal pf
multiplicada por la sección transversal de la pieza Ap,
alo que habrá de sumarse la carga necesaria para
aplastar el material en el cordón de rebaba.
• Con esto queda cubierto lo correspondiente 
con el proceso de Forja
• Por su atención 
• Gracias