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Capitulo 14

14.52 Invente un método experimental para medir solo la fuerza necesaria para forjar la rebaba, en la forja con dado impresor. Mediante ensayos de compresión estándar; ya que lograríamos determinar mediante cargas aplastantes el comportamiento de materiales y registraríamos la deformación con distintas cargas a las cuales se les sometería. Lograríamos determinar los límites de trabajo del elemento en cuestión de fuerza máxima, deformación a rotura, inicio de grieta entre otros; en los cuales los valores que se obtendrán permitirán verificar que los diseños realizados teóricamente corresponden con los valores empíricos obtenidos en una simulación real de trabajo previamente realizada. 14.53 Suponga que usted representa la industria de forjado, y que encara a un representante de la industria de la fundición. ¿Qué diría a esa persona acerca de los méritos de los procesos de forjado? ¿Cómo se prepararía para contestar dudas acerca de limitaciones del forjado en comparación con el de fundición? El forjado es un proceso de de deformación en el cual el material se comprime entre los dados, usando impacto o presión gradual. Una manera de clasificar las operaciones de forja es mediante la temperatura de trabajo, ya sea forjado en frio o en caliente. Otra diferencia entre las operaciones de forjado es el grado en que los dados restringen el flujo del metal de trabajo; en dicha clasificación existe tres tipos de operaciones de forjado: en dado abierto, en dado impresor y sin rebaba. Mediante el proceso de forjado se obtiene una compactación y afinado de la estructura granular del material utilizado, una mayor resistencia gracias a las características anteriores. Dicha resistencia permite secciones más delgadas de las permitidas en un proceso de fundición, colada o inyectada y mayor resistencia a igual sección. Por otra parte la forja de metal puede reducir los costos para los fabricantes, habrá menos material que se despilfarre porque el metal se selecciona para adaptarse a la forma deseada con tan pocos desechos como sea posible. Debido a esto, menos trabajo de acabado es necesario, lo cual ahorra tiempo y el desgaste de las herramientas. Por ejemplo, test han demostrado que un buen jugador de golf será capaz de golpear igual con una cabeza forjada que inyectada. En realidad, un golpe con uno u otro producirá idénticos resultados, pero el hierro forjado, según los profesionales, aporta mejor "toque" y mayor capacidad para "mover" la bola a voluntad mientras que el de fundición con centro de gravedad bajo y gran cavidad, ayudará a levantar la bola al jugador amateur, algo que el potente "swing" del profesional hace de forma natural.

14.54 La figura adjunta muestra una pieza forjada por estampado con dados redondos, hecha a partir de una pieza bruta cilíndrica, que se ve a la izquierda. Como se describir en este capítulo, esas piezas se fabrican con una sucesión de operaciones de forjado. Sugiera una secuencia de pasos intermedios de forjado para fabricar esta pieza, y trace la forma aproximada de los dados necesarios. Se parte de una pieza cilíndrica de menor diámetro y mayor altura a la pieza a la que se desea llegar.

El metal toma la forma de los dados

Se somete nuevamente a la presión de los dados para que el metal adquiera la forma de la pieza deseada.

La pieza terminada

14-55 Se puede fabricar engranes por forja, en especial engranes cónicos. Haga una investigación bibliográfica y describa el orden delos pasos de manufactura que se emplean. Haga comentarios sobre la calidad de los engranes, en comparación con los fabricados con los procesos de fundición que se describieron en el capítulo 11. Las operaciones en las que se obtiene la pieza con las dimensiones cercanas a las finales se llama forjado a forma casi neta. En este tipo de proceso hay poco exceso de material en la pieza forjada que se debe quitar por esmerilado o por troquelado

En forjado de precisión los dados especiales consiguen que las piezas finales obtengan unas dimensiones mas precisas en comparación con el proceso de fundición. Por otra parte en el proceso de forjado se requiere un equipo de mayor capacidad, ya que para obtener los detalles finos de las piezas se debe aplicar mayores fuerza.

En la operación de fundición existe más imprecisión en los moldes; ya que una vez se haya fundido la pieza y posteriormente sacudida, se haya eliminado los canales de alimentación y mazarotas, lo cual es necesario pasar posteriormente por tratamientos térmicos. Finalmente pasa por la limpieza y terminado que consiste también en tratamientos térmicos adicionales para luego pasar por el sector de inspección.

14.56 El forjado es uno de los métodos de producción de álabes de turbina para motores de reacción. Estudie el diseño de esos álabes, y las publicaciones técnicas relevantes y prepare un procedimiento paso a paso, para producirlos con operaciones de forjado. Comente los posibles problemas que podrían encontrarse, y ofrezca soluciones. ¿Cómo cambiarían las propiedades, si es que lo hacen, en comparación con los álabes colados? Explique por qué. Los alabes de turbina pueden ser fabricados mediante la forja.

El diseño de los alabes de turbina se realiza en una herramienta CAD como por ejemplo SolidWorks:

Donde las medidas estarán determinadas según el flujo que se requerirá de aire para la explosión del mismo, el número de alabes a utilizarse, el ángulo de entrada, la velocidad requerida; la altura será determinada mediante la ecuación de gasto, (ésta es la ecuación de gasto pero para cuando la velocidad es la misma en cualquier punto, se realizan modificaciones para el caso de velocidades distintas

) El material a utilizarse será superaleaciones por la buena resistencia y resistencia a la corrosión a temperaturas elevadas, pueden ser de base hierro, cobalto y níquel; las utilizadas para la producción de alabes es la superaleación en base níquel por la resistencia a la corrosión, oxidación además de soportar condiciones de temperatura y esfuerzo, también se utiliza iconel625. Una vez determinadas las dimensiones del alabe a producirse y el material se sigue con los siguientes pasos:

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Se empieza con un tocho con una cobertura cerámica para evitar la oxidación de la superficie por las temperaturas altas a las que se encuentra expuesto, se introduce en un horno a una temperatura de 980 grados por un lapso de 15 min. Luego el tocho ya calentado se sacará del horno para llevar a los dados respectivos para el forjado que son previamente rociados con una capa de lubricante, una prensa aplica una fuerza de 1000 toneladas métricas para dar la forma necesaria al material. El material obtiene la forma determinada por el dado y pasa a ser enfriado sumergiéndolo en agua. Una vez enfriado se eliminan las rebabas ya sea por limado o por recorte con punzón. El alabe sale con una base de forma parecida a un cuadrado que luego se le dará la forma redondeada se llama también cola de milano. Para mayor resistencia se aplica una capa cerámica en la pieza y se introduce nuevamente a un horno pero a un horno de convexión con estos pasos se logra templar el metal haciéndolo más resistente aún. Se somete a una presión de 1600 toneladas mediante una prensa y dados cerrados dándole así al alabe la forma final, con una recortadora se quita el exceso de metal en la pieza. La capa protectora cerámica se convierte en cristal y después se retira. Se verificará que las dimensiones de la pieza sean las requeridas si no son las requeridas se descartará la pieza ya que los efectos de éstas varianzas afectarían de sobre manera el funcionamiento de la turbina. Se acomodarán los alabes en una matriz para recubrirlas con estaño líquido y bismuto para pasar al redondeo de la cola de milano, al obtenerse la cola de milano se pasa a sumergir la pieza en un líquido que penetra en cualquier muesca o imperfección. Se realiza una inspección de los álabes bajo luz ultravioleta teniendo sumo cuidado de no dejar pasar piezas imperfectas con roturas que podrían causar graves problemas.

Los alabes forjados a comparación de los alabes colado necesitan mayor inversión que los alabes colados ya que hacer los dados para el forjado tienen un costo alto además de la tecnología utilizada en el proceso de forja tiene un gran costo que se compensa o justifica si la producción será en grandes cantidades, el proceso de colado se realiza en moldes cerámicos precalentados a la mitad de su punto de fusión ,son más baratos pero a diferencia del proceso de forja no logran la misma resistencia ya que no llevan tantos procesos de calentamiento y enfriamiento así como en el forjado lo cual templa el metal y lo hace más resistente siendo esto muy positivo para el posterior uso de la pieza, otro factor positivo del proceso de forja es que la superficie de la pieza es mejor además que si se hace un colado muchas veces se requiere de procesos de maquinado para un mejor acabado. Ciertos problemas que se puede tener al realizar un forjado serían también que el dado podría estar mal fabricado y para esto sería bueno utilizar maquinaria que hace uso de métodos numéricos para el control de dimensiones del dado, otro problema que podría presentarse sería que la superaleacion no se encuentre o tenga los porcentajes de composición esto se solucionaría mediante control estadístico esto sería que un operario retiraría un pequeña cantidad del material previamente fundido y lo llevará a ser analizado si cumple con los

porcentajes el material será aceptado caso contrario rechazado, el control será cada vez que un nuevo lote de material ingrese para la producción de alabes. 14.57. Al comparar las piezas forjadas con las fundidas, hemos dicho que la misma pieza se puede fabricar con cualquiera de los procesos. Haga comentarios sobre los pros y los contras de cada proceso, teniendo en cuenta factores como el tamaño de la pieza y su complejidad de forma, flexibilidad en el diseño, propiedades mecánicas desarrolladas, eficiencia en el servicio y todo lo que considere relevante.

FORJADO

FUNDIDO

La pieza tiene mejor resistencia y además el metal conserva su fuerza direccional mediante la alteración del grano del metal. No tienen bolsas de gas internas. Fácil conseguir la resistencia al impacto. En comparación el fundido elimina la fuerza direccional y si se pueden formar bolsas internas. Se permite la alteración a partir de cualquier forma y tamaño, pueden pesar hasta 181,44 toneladas. Puede realizarse en lotes individuales o producción en masa Puede reducir los costos para los fabricantes, se despilfarra menos material pues se selecciona para adaptarse a la forma deseada con muy poco desecho. Menos trabajado es necesario para corregir el tamaño y la calidad de superficie(forja de precisión), de esta manera se ahorra tiempo y desgaste de herramientas.

Permite fabricar piezas de diferentes dimensiones, gran precisión de forma en la fabricación de piezas complicadas. Las piezas de fundición son fáciles de mecanizar. Son resistentes al desgaste. Absorben mejor las vibraciones. Es un proceso relativamente económico. Tiene buena resistencia a la compresión, baja resistencia a la tracción, fragilidad , moldeabilidad en caliente

14-59 En las operaciones de forjado en caliente, se desprenden llamas de los dados al abrirlos. Explique a que se debe eso. La Lubricación en el proceso de forjado es muy importante pues en el caso de la forja en frio evita el desgaste y el la forja en caliente tienen la función de lubricar, es decir reducir la fricción entre metales, posibilita un fácil desmolde, actúa como refrigerante y por ultimo al igual que en la forja en frio actúa como protector de los dados. Entre los lubricantes mas comunes están las dispersiones de grafito microprocesado coloidal en medio acuoso en aceites minerales o sintéticos, compuestos sintéticos en base a sales, y otros como vidrio y disulfuro de molibdeno. El uso de estos lubricantes es la causa por la cual los dados llamean cuando la maquina ejerce presión.

14.60 Consiga varios tornillos, clavos y pernos de distintos tamaños. Mida el volumen de sus cabezas y calcule la relación original de longitud no soportada a diámetro. Describa estos números con respecto a lo que se describe en el texto. Mediante un proceso de cabeceado se pueden obtener las formas de los tornillos y clavos. La relación de longitud no soportada a diámetro se suele limitar a menos de 3:1, pero puede ser mayor, dependiendo de la geometría del dado Se tomaron las medidas de ambos tornillos y se obtuvieron las siguientes medidas: 1) Diámetro cabeza:6.4 mm 1 Diámetro cuerpo:3.8 mm Longitud:30.4 mm Volumen cabeza: 41.56 mm3 2) Diámetro cabeza:8.4 mm Diámetro cuerpo:4.7 mm Longitud:36.1 mm Volumen cabeza: 70.41 mm3 De los clavos las medidas fueron las siguientes: 1) Diámetro cabeza:5.1 mm Diámetro cuerpo:2.2 mm Longitud:38.1 mm Volumen cabeza: 5.81 mm3 2) Diámetro cabeza:3.6mm Diámetro cuerpo:1.7 mm Longitud:25.1 mm Volumen cabeza: 12.36 mm3 Con los datos obtenidos se pudo ver que la relación de longitud no soportada a diámetro sobre pasa 3:1 en el primer tornillo la relación seria de 4.75:1 y del segundo tornillo de 4.2:1 lo cual sobre pasa lo indicado y de igual manera ocurre para los clavos por lo tanto se puede decir que para que estas relaciones sean mayores a la indicada es debido a que la matriz no es mayor que 1.5 veces el diámetro de la barra.

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