TEMA 4 (1)

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TEMA 4
FORJADO DE METALES
Introducción
El forjado es un proceso de deformación en el cual se comprime el material de trabajo entre dos troqueles, usando impacto o presión gradual para formar la pieza.
Es la operación más antigua para formado de metales y se remonta quizá al año 4000 a.C. para realizar joyería, monedas y diversos implementos martillando el metal con matrices y herramientas hechas de piedra.
Introducción
En la actualidad el forjado es un proceso industrial importante para fabricar una variedad de componentes de alta resistencia para automóviles, aviones, vehículos aeroespaciales, herramental, herramientas y otras aplicaciones. 
Estos componentes incluyen cigüeñales y bielas para motores de combustión interna, engranes, grandes rotores, componentes estructurales para aviación y piezas para turbinas y motores de propulsión.
Introducción
Además, las industrias del acero y de otros metales básicos usan el forjado para fijar la forma básica de grandes componentes que luego se maquinan para lograr su forma final y dimensiones definitivas.
A diferencia de las operaciones de laminado que producen placas, láminas, cintas o varias secciones transversales estructurales continuas, las operaciones de forjado producen partes discretas.
Introducción
Debido a que es posible controlar el flujo de metal en una matriz y la estructura de los granos del material, las partes forjadas tienen buena resistencia y tenacidad y son muy confiables en aplicaciones críticas sujetas a grandes esfuerzos.
Introducción
El forjado puede efectuarse a temperatura ambiente (forjado en frío) o a temperaturas elevadas (forjado a temperatura media o en caliente). 
El forjado en frío requiere fuerzas más grandes, debido a la mayor resistencia del material de la pieza de trabajo, y éste debe poseer suficiente ductilidad a temperatura ambiente para someterse a la deformación necesaria sin que se agriete. Las partes forjadas en frío tienen un buen acabado superficial y precisión dimensional.
Introducción
En cambio, el forjado en caliente requiere menores fuerzas, pero la precisión dimensional y el acabado superficial de las partes no son tan elevados como en el forjado en frío.
Por lo general, las partes forjadas se someten a operaciones de acabado adicionales, como el tratamiento térmico, para modificar sus propiedades, y el maquinado, a fin de obtener dimensiones finales exactas y acabado superficial.
Forjado de Matriz Abierta
Consiste en comprimir una pieza de sección cilíndrica entre dos matrices planas, muy semejante a una prueba de la compresión. Esta operación de forjado reduce la altura del trabajo e incrementa su diámetro. 
Este proceso también se conoce como recalcado o forjado con matriz plana.
Forjado de Matriz Abierta
Por lo general la mayoría de las partes forjadas de matriz abierta pesan de 15 a 500 kg, y se han forjado piezas con un peso hasta de 300 toneladas. 
Las partes pueden ser muy pequeñas, como los clavos, pernos y tornillos, o muy grandes como los ejes hasta de 23 m de longitud para propulsores de barcos .
Forjado de Matriz Abierta
Asimismo, las superficies de la matriz pueden tener cavidades poco profundas o incorporar rasgos para producir forjas relativamente simples.
Puesto que el volumen se mantiene constante, cualquier reducción de la altura aumenta el diámetro de la parte forjada. Obsérvese que la pieza de trabajo se deforma de manera uniforme. 
Sin embargo, en las operaciones reales sí existe fricción y la parte desarrolla una forma de barril deformación conocida como colapsado.
Forjado de Matriz Abierta
El abarrilamiento se produce principalmente por las fuerzas de fricción en las interfaces matriz-pieza de trabajo; y que se pueden minimizar con un lubricante eficaz.
El abarrilamiento también puede desarrollarse al recalcar piezas de trabajo calientes entre matrices frías.
Forjado de Matriz Abierta
Esto debido a que el material en las superficies de la matriz, se enfría con rapidez, en tanto que el resto de la pieza de trabajo permanece relativamente caliente. 
En consecuencia, el material en las partes superior e inferior de dicha pieza tiene mayor resistencia a la deformación que el de la parte central y pieza se dilata hacia los lados más que en sus extremo.
Forjado de Matriz Abierta
En la forja de desbaste o estirado de matriz abierta, el espesor de una barra se reduce por medio de pasos sucesivos de forjado a intervalos específicos,
Forjado de Matriz Abierta
Se puede reducir el espesor de barras y anillos mediante técnicas similares de forjado de matriz abierta, como se muestra en las figuras
Forjado de Matriz Abierta
Debido a que el área de contacto entre la matriz y la pieza de trabajo es pequeña, puede reducirse el espesor de una sección larga de una barra sin requerir grandes fuerzas o maquinaria pesada.
En consecuencia, la forja de desbaste puede ser un sustituto aproximado de las operaciones de laminado
Fuerza de Forjado
Si el forjado en troquel abierto se lleva a cabo bajo condiciones ideales, sin fricción entre el trabajo y la superficie del troquel, ocurre una deformación homogénea y el flujo radial de material es uniforme a lo largo de su altura:
	:.						Є = ln (ho/hf) 
Fuerza de Forjado
Se puede estimar la fuerza requerida para el recalcado multiplicando el área correspondiente de la sección transversal por el esfuerzo de fluencia:
							F = Yf A
donde F fuerza, N (lb); A = área de la sección transversal de la pieza, mm2 (in2 ); Yf esfuerzo de fluencia correspondiente a la deformación Є, en MPa (lb/in2 ).
Fuerza de Forjado
El área A se incrementa continuamente al reducirse la altura durante la operación y también el esfuerzo de fluencia Yf como resultado del endurecimiento por trabajo, excepto cuando el metal es perfectamente plástico como el trabajo en caliente.
:. En este caso, el exponente de endurecimiento por deformación es: n=0, y el área y el esfuerzo de fluencia llegan a su valor más alto. 
						 	Yf = K.Єn
Fuerza de Forjado
En una operación real de forjado, se crea un abarrilamiento de la pieza (como se vió en anteriores diapositivas) que hacen que la fuerza de recalcado o forjado sea más grande. El efecto se acentúa al aumentar la relación entre el diámetro y la altura de la pieza, debido a la mayor área de contacto en la interfaz troquel-trabajo. 
:. además de la fricción, debe aplicarse un factor de forma para aproximar los efectos del cociente del diámetro y la altura de la pieza (d/h).
Fuerza de Forjado
Problema 1.
Un trozo de metal cilíndrico hecho de acero inoxidable 304 tiene 150 mm de diámetro y 100 mm de altura. Ésta se reduce 50% a temperatura ambiente por medio de forjado de matriz abierta con matrices planas. 
Si el coeficiente de fricción es 0.2, calcule la fuerza de forjado al final del recorrido o carrera.
Forjado por Matriz de Impresión 
Se realiza con troquel que tiene la forma inversa de la requerida para la pieza.
Por lo general, este proceso se realiza a temperaturas elevadas para mejorar la ductilidad de los metales y disminuir las fuerzas. 
Durante la deformación, parte del material fluye hacia el exterior y forma una rebaba de forja que desempeña un papel importante durante el proceso.
Forjado por Matriz de Impresión 
En el forjado en caliente, la restricción del flujo de metal es mayor debido a que la rebaba delgada se enfría rápidamente contra las placas del troquel, 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 troquel; obteniendo un producto de alta calidad
Forjado por Matriz de Impresión 
Con frecuencia se requieren varios pasos de formado en el forjado con troquel impresor para transformar la forma inicial en el perfil final.
Forjado por Matriz de Impresión 
El forjado con matriz de impresión no tiene tolerancias estrechas de trabajoy frecuentemente se requiere el maquinado para lograr la precisión necesaria.
El proceso de forjado genera la configuración geométrica básica de la pieza y el maquinado realiza los acabados de precisión que se requieren en algunas porciones de la pieza.
Terminología de una Matriz de Forjado.
Forjado por Matriz de Impresión 
La pieza en bruto, o tocho, que se va a forjar, se prepara por: (a) corte de un barra de material extruido o estirado; (b) una preforma de operaciones como metalurgia de polvos; (c) fundición; o (d) utilización de una pieza en bruto preformada mediante una operación previa de forjado. 
Forjado por Matriz de Impresión 
Por lo general, las operaciones de preformado se utilizan para distribuir el material adecuadamente en varias regiones de la pieza en bruto, mediante matrices con formas simples de diversos contornos.
En el forjado con dado convexo, se retira el material de un área.
En el forjado con dado cóncavo, se acumula en un área localizada. 
Forjado Convexo y Concavo
Operaciones de Preformado
Forjado por Matriz de Impresión 
Por ejemplo, para el forjado de una biela, después del recalcado, se le da a la parte una forma cercana por medio de un proceso conocido como aproximación o bloqueo, utilizando matrices de aproximación. 
La operación final es el terminado del forjado en las matrices de impresión, que le proporcionan su forma final. 
Luego se elimina la rebaba mediante una operación de recortado de rebabas.
ETAPAS DE FORJADO
DE UNA BIELA 
Forjado por Matriz de Impresión 
Para formas y geometrías complejas, las matrices se pueden fabricar de varias piezas (segmentadas), incluyendo insertos de matrices.
 Es posible reemplazar estos insertos con facilidad en caso de desgaste o falla en una sección particular de la matriz, y por lo general se hacen de materiales más resistentes y duros. 
Desde el punto de vista de diseño, las matrices deben permitir la extracción de las forjas sin dificultad.
Diferentes Insertos de Matriz Utilizados en el Forjado 
Fuerza de Forjado por Matriz de Impresión 
Debido a la formación de rebaba en el forjado con matriz impresor y a las formas más complejas de las piezas hechas con estos troqueles, las fuerzas en este proceso son considerablemente más grandes y más difíciles de analizar que en el forjado en troquel abierto. 
Con frecuencia se usan fórmulas y factores de diseño relativamente simples para estimar las fuerzas en este forjado con troquel impresor.
Fuerza de Forjado por Matriz de Impresión 
La fórmula de la fuerza es la misma que la utilizado con matriz abierta, solo que su interpretación es diferente.
								 F = Yf ACf 
donde F fuerza máxima en la operación en N (lb); A área proyectada de la pieza, incluida la rebaba, mm2 (in2 ); Yf esfuerzo de fluencia del material, MPa (lb/in2 ); y Cf factor de forma del forjado.
Fuerza de 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 la deformación varía a través de la pieza de trabajo.
Cf es un factor con el que se intenta tomar en cuenta el incremento de la fuerza requerida para forjar formas complejas. La tablas siguientes muestra la escala de valores de Cf para diferentes formas de la pieza
Forjado en Matriz Cerrada
La diferencia con el anterior proceso consiste en que no se forma rebaba y la pieza de trabajo llena la cavidad de la matriz. Por consiguiente, la presión de forjado es muy alta.
Son fundamentales el control preciso del volumen de la pieza en bruto y el diseño adecuado de la matriz para producir un forjado con las tolerancias dimensionales deseadas.
Forjado en Matriz Cerrada
Las piezas en bruto sub-dimensionadas evitan el llenado de la cavidad de la matriz; por el contrario, las piezas sobre-dimensionadas generan presiones excesivas y pueden hacer que las matrices fallen de manera prematura o que la máquina se atasque. Estas son las razones por la que se debe tener un control estricto del volumen de la preforma. 
Forjado de Precisión
Este proceso se utiliza con el fin de reducir el número de operaciones de acabado (forma neta), y costos, tendiendo hacia una mayor precisión en los productos forjados.
Algunas piezas comunes obtenidas por forjado de precisión son los engranes, las bielas y los álabes para turbinas de grandes motores de aviones.
Forjado de Precisión
Este forjado requiere (a) matrices especiales y más complejas, (b) control preciso del volumen y la forma de la pieza en bruto, y (c) posicionamiento exacto de dicha pieza en la cavidad de la matriz.
Debido a las mayores fuerzas que se necesitan para obtener detalles finos, este proceso requiere equipo de más capacidad y más caro.
Forjado de Precisión
Las aleaciones de aluminio y magnesio son adecuadas, para el forjado de precisión, debido a las cargas y temperaturas de forjado relativamente bajas que exigen.
También se pueden utilizar los aceros y el titanio en el forjado de precisión.
Diversas Operaciones de Forjado
Acuñado. Se trata de un proceso de forjado en matriz cerrada que por lo general se utiliza en el troquelado de monedas, medallas y joyería.
La pieza en bruto o trozo de metal se acuña en la cavidad de una matriz completamente cerrada, para reproducir los finos detalles del troquel. Por tanto las presiones requeridas son elevadas, como 5 ó 6 veces la resistencia del material.
Diversas Operaciones de Forjado
En el acuñado no se utilizan lubricantes ya que influye en la reproducción total de los detalles de la superficie de la matriz y el acabado superficial.
Diversas Operaciones de Forjado
Cabeceado. Por lo general se efectúa en el extremo de una barra redonda o alambre para aumentar la sección transversal.
Los ejemplos típicos son los clavos, las cabezas de tornillos, los pernos, remaches y muchos otros sujetadores.
El cabeceado puede realizarse en frío, en caliente o a temperatura media.
Diversas Operaciones de Forjado
Forjado Rotatorio. En este proceso (también conocido como forjado radial, forjado rotatorio o simplemente estampado), una barra sólida o tubo se somete a fuerzas de impacto radial por medio de una serie de matrices reciprocantes de la máquina.
Los movimientos de las matrices se obtienen mediante una serie de rodillos en una jaula, por medio de una acción similar a la de un rodamiento de rodillos.
Diversas Operaciones de Forjado
La pieza de trabajo se mantiene estacionaria y las matrices giran (mientras se mueven radialmente en sus ranuras), golpeando la pieza a velocidades tan altas como 20 golpes por segundo.
Por lo general, el forjado rotatorio se limita a un diámetro máximo de la pieza de trabajo de 150 mm; se han estampado pequeñas partes hasta de 0.5 mm. Ejemplos, producción de ejes escalonados.
Diversas Operaciones de Forjado
Forjado con rodillos. Es un proceso de deformación que se usa para reducir la sección transversal de una pieza de trabajo cilíndrica o rectangular.
La parte a forjar, pasa a través de una serie de rodillos opuestos con canales que igualan la forma requerida por la pieza final.
Las piezas forjadas con rodillos son generalmente más fuertes y poseen una estructura granular favorable respecto a otros procesos
Diversas Operaciones de Forjado
Forjado de Tubos. En este proceso se reduce el diámetro interno y/o espesor del tubo con o sin el uso de mandriles internos.
Para la tubería de diámetro pequeño se puede utilizar alambre de alta resistencia como mandril. 
Los mandriles también pueden fabricarse con estrías longitudinales que permiten la extrusión de tubos con forma interior.
Forjabilidad de Algunas Aleaciones
La forjabilidad se define como la capacidad de un material para someterse a deformación sin agrietarse. 
La prueba común para cuantificarla es por recalcado, donde un espécimen cilíndrico sólido se recalca entre matrices planas y se observa la reducción de la alturaa la que empieza el agrietamiento en las superficies abarriladas.
Cuanto más grande sea la deformación antes del agrietamiento, mayor será la forjabilidad del metal. 
Forjabilidad de Algunas Aleaciones
Defectos del Forjado
Además del agrietamiento de la superficie durante el forjado, también se pueden desarrollar otros defectos debido al patrón de flujo del material en la matriz, como en las siguientes figuras.
Si no existe suficiente volumen de material para llenar la cavidad de la matriz, el alma se puede torcer durante el forjado y desarrollar pliegues.
Si el alma es demasiado gruesa, el exceso de material fluye nuevamente sobre las partes ya formadas de la forja y desarrolla grietas internas.
Defectos del Forjado
Defectos del Forjado
Los defectos internos también se pueden desarrollar por:
a) Deformación no uniforme del material en la cavidad de la matriz, 
b) Gradientes de temperatura a lo largo de la pieza de trabajo durante el forjado,
c) Cambios microestructurales a causa de las transformaciones de las fases y el patrón de flujo de los granos del material en el forjado.
Defectos del Forjado
Los defectos de forjado pueden causar fallas por fatiga y otros problemas como la corrosión y el desgaste durante la vida útil del componente forjado. 
Es obvia la importancia de inspeccionar las forjas antes de ponerlas en servicio, sobre todo en aplicaciones críticas, como en el caso de los aviones.
Características en el Diseño de Matrices
Gran parte del éxito de forjado reside en el diseño de las matrices que, requiere bastante conocimiento y experiencia respecto de la forma y complejidad de la pieza de trabajo, su ductilidad, resistencia y sensibilidad a la velocidad de deformación y temperatura, además de sus características de fricción.
Características en el Diseño de Matrices
La regla más importante en el diseño de matrices es que la parte fluye hacia donde hay menor resistencia. 
Por ello, deben planearse las formas intermedias de la pieza de trabajo de manera que llenen adecuadamente las cavidades de la matriz.
Los Procesos de Simulación, al igual que en fundición, son de mucha utilidad.
Características en el Diseño de Matrices (Simulación)
Se usan para ayudar a predecir el flujo del material en las cavidades de las matrices de forjado en diversas condiciones, como temperatura y transferencia de calor, condiciones de fricción en las superficies de contacto entre la matriz y la pieza de trabajo y velocidad de forjado.
Son muy útiles en el diseño de matrices y en la eliminación de futuros problemas con forjas defectuosas.
Características en el Diseño de Matrices. Preformado.
En una pieza de trabajo preformada de manera correcta, el material no debe fluir con facilidad hacia la rebaba y el patrón del flujo de los granos debe ser favorable para la resistencia y confiabilidad de los productos.
Se debe minimizar el deslizamiento excesivo en las interfaces de la pieza de trabajo y la matriz, con el fin de reducir el desgaste de esta última.
La selección de las preformas requiere bastante experiencia y comprende cálculos de áreas de secciones transversales en cada lugar de la forja.
Materiales para Matrices.
La mayoría de las operaciones de forjado (en especial para partes grandes) se efectúa a temperaturas elevadas. De este modo, los requisitos generales de los materiales para matrices son:
Resistencia y tenacidad a temperaturas elevadas.
Templabilidad y capacidad de endurecimiento uniforme.
Materiales para Matrices.
Resistencia al impacto mecánico y térmico.
Resistencia al desgaste (en particular al abrasivo) debido a la presencia de cascarilla en el forjado en caliente.
Los materiales comunes para matrices son los aceros para herramientas y matrices que contienen cromo, níquel, molibdeno y vanadio.
Materiales para Matrices.
Un aspecto interesante es que las matrices se producen de bloques de material, que a su vez se forjan a partir de fundiciones y después se maquinan y terminan con la forma y el acabado superficial deseados.
La manufactura de matrices es un campo muy amplio y especiualizado.
Fallas en las Matrices.
Diseño inadecuado de la matriz.
Selección defectuosa o inapropiada del material de la matriz.
Manufactura y operaciones inadecuadas de tratamiento térmico y acabado.
Sobrecalentamiento y agrietamiento por calor (es decir, agrietamiento provocado por los ciclos de la temperatura).
Fallas en las Matrices.
Desgaste excesivo.
Sobrecarga (es decir, fuerza excesiva sobre la matriz).
Alineación inapropiada de los componentes de la matriz con respecto a sus movimientos.
Mal uso.
Economía del Forjado
Economía del Forjado