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• Jhon Alejandro Lopez

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Isabella Duque Christian Garcia Dawinson Castañeda Jhon Lopez

FORJA Introducción La presente investigación se trata de un proceso de la deformación plástica denominada la forja que es uno de los procedimientos más antiguos utilizados para la conformación de los metales, pues ya en Egipto, hacia el año 500 a. de C., se forjaba el cobre y sus aleaciones para la fabricación de armas y utensilios domésticos. En la actualidad se sigue empleando para la fabricación de infinidad de piezas de diversas formas y tamaños. La forja es un procedimiento de conformación de los metales que se realiza sometiéndolos a esfuerzos violentos de compresión, repetidos o continuos, generalmente realizado en caliente o, en casos más excepcionales, en frío.

Este proceso se utiliza para dar una forma y unas propiedades determinadas a los metales y aleaciones a los que se aplica mediante grandes presiones. La deformación se puede realizar de dos formas diferentes: por presión, de forma continua utilizando prensas, o por impacto, de modo intermitente utilizando martillos pilones.

Cabe destacar que es un proceso de conformado de metales en el que no se produce arranque de viruta, con lo que se produce un importante ahorro de material respecto a otros procesos, como por ejemplo el mecanizado.

DEFINICION Es un proceso de conformado de metales el cual consiste en dar una forma y mejorar sus propiedades mecánicas y solidez metalúrgica, determinadas a los metales y aleaciones a los que se aplica, en el cual al material se aplica fuerzas de compresión unidireccionales, entre los dados o matrices (herramientas) mediante grandes presiones esto a través de una deformación plástica controlada por medio de impacto (de forma intermitente utilizando martillos pilones) o presión (continua utilizando prensas ), por la cual se obtienen piezas de sección transversal irregular al comprimir un bloque metálico, denominado tocho, entre dos útiles de trabajo llamados estampas, aprovechando la plasticidad del material. Este proceso permite fabricar piezas de materiales ferrosos y no ferrosos en dimensiones, geometrías y pesos muy variados que sería imposible obtener mediante otras operaciones. El proceso generalmente se realiza en caliente, al realizar la forja en caliente, el tocho de metal a conformar se calienta a temperaturas superiores a la de recristalización (temperatura a la cual formación de granos libres de deformación.), pero inferiores a la de fusión. Dado que a estas temperaturas, el metal se deforma fácilmente sin que se produzca acritud (endurecimiento que se produce al deformar en frio los los metales y las aleaciones). HISTORIA

Es la operación más antigua para formado de metales y se remonta quizá al año 5000 a. C. Se pueden hacer operaciones sencillas de forja con un marro de mano, y un yunque, como lo hacen los herreros en forma tradicional, , sus antecedentes se encuentran en la labor de los herreros y en las fraguas (taller el lugar donde se calienta y se trabaja el metal empleando el arte de la forja) de los tiempos bíblicos y mitológicos. La Revolución Industrial significó la sustitución de la fuerza del herrero por la de las máquinas. En la actualidad existe una gran variedad de equipos para forja, los cuales permiten la obtención de piezas de tamaños que van desde un remache hasta el rotor de una turbina, comúnmente se encuentran en partes de máquinas con esfuerzos críticos, particularmente en donde pueda afectarse la seguridad humana. Una vez producidas, piezas forjadas tienen una amplia gama de usos en una variedad de industrias que van desde los camiones pesados, equipos médicos, partes de automóviles, hasta la industria aeroespacial.

ETAPAS DEL PROCESO Las etapas del proceso de forjado se dividen en 6 las cuales se trabaja tanto proceso de manufactura como automatizada. 1.

Preparar un trozo de metal, planquilla o performa

Pre-conformado: es una operación de preparación en el cual se generan una serie de esfuerzos generando golpes con matillos, sobre la pieza de trabajo que las obligan a tomar la forma de la geometría que se desee, algo así como un bosquejo, es decir que no lleva acabados.

Tipos de Cortes mecánicos: Dentro de estos procedimientos se encuentran el cizallado, el cincelado, el chorro de agua, el aserrado y el disco abrasivo. Cizallado: Cizallar un metal es seccionarlo por medio de cuchillas de aristas vivas que se deslizan una contra otra. Cincelado.: Es el procedimiento de corte más antiguo; es largo, fatigoso, deforma las chapas y necesita posteriormente una costosa operación de acabado. Aserrado: Es la operación de corte con arranque de viruta más común. En este grupo aparecen herramientas como las sierras y serruchos. Chorro de agua: esta operación consigue cortar cualquier material, haciendo impactar sobre éste un chorro de agua a gran velocidad que produce el acabado deseado. 2.

Calentamiento: en esta etapa se emplean diversos instrumentos con la finalidad de

elevar la temperatura del material hasta que está presente una resistencia débil a la deformación. Los equipos utilizados para calentar estas piezas derivan su tamaño respecto a al tamaño y tipo de material que compone la pieza, los más utilizados son: Hornos / Muflas: Estos equipos se utilizan para calcinar, fundir, dar tratamiento térmico, templar, etc. Cuenta con un microprocesador que controla la temperatura de ambiente a 1100°C. Si se calienta muy rápido la pieza, la zona externa estará a la temperatura adecuada cuando la zona interna aun este fría. Pudiendo las dilataciones romper la pieza.

3.

Una vez calentada la pieza, la operación de deformación se realiza en diversos

tipos de máquinas: prensas mecánicas de impacto, laminadoras, prensas hidráulicas de extrusión, etc. En esta etapa se aplican los esfuerzos al material. Forjado en matriz: se coloca en la matriz de la prensa o martinete. Dependiendo de su forma o tamaño y complejidad será el número de pasos y cavidades de la matriz, donde proporcionalmente se le ira dando forma al producto. Existen dos tipos de forjado en matrices:

Forjado en matriz abierta: Se lleva a cabo entre dos dados planos o de forma muy simple, como cavidades semicirculares o en forma de v. Permite la deformación libre de al menos algunas superficies de la pieza de trabajo.

Forjado en matriz cerrada: En el proceso, el metal es formado prensándose entre un par de dados. El dado superior se fija generalmente al ariete de una prensa, mientras que el inferior queda sujeto al yunque. 4.

Enfriamiento: es dejar enfriar el metal hasta una temperatura determinada. Este

enfriamiento no debe hacerse rápido, ya que las contracciones podrían romper la pieza. 5.

Rebabado: un proceso de acabado donde se eliminan las rebabas (excedente de

material) o los bordes afilados del metal, plástico u otros materiales de la pieza de trabajo. El objetivo del proceso es el de eliminar las irregularidades y afinar la superficie de la pieza para lograr el pulido o acabado ideal. Algunos de los procesos mecánicos en el cual se elimina la rebaba y se logran acabados son los siguientes:

Limado: es una operación mediante la cual se da forma a una pieza mediante el desprendimiento del material en forma de limaduras. Las herramientas utilizadas para este fin son las limas.

Taladrado: Es una operación que tiene por objeto el mecanizado de agujeros, con obtención de virutas. Para esta operación se emplean elementos de corte circular denominados brocas.

Torneado: se lleva a cabo mediante el torno, es una herramienta que permite fabricar piezas de revolución, es decir, cuya sección transversal tiene forma circular.

Una herramienta manual para llevar a cabo el rebarbado son las cuchillas giratorias, eliminando materia sobrante e irregular en bordes, ranuras, esquinas, agujeros y áreas externas e internas. El instrumento opera poniendo en contacto la pieza y la cuchilla aplicando la acción de corte sobre dicha superficie. 6.

Tratamiento térmico: es un proceso que comprende el calentamiento del material

en estado sólido a temperaturas definidas, seguido de un enfriamiento, con el fin de mejorar sus propiedades físicas y mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la elasticidad. 7.

Inspeccionar la pieza forjada para ver si tiene defectos internos y externos.

OBJETIVOS Con la forja se pueden obtener piezas acabadas (con su forma definitiva) o de desbaste (piezas a las que se le da forma definitiva mediante el mecanizado) El forjado permite mejorar las propiedades mecánicas tales como la ductilidad y resistencia a la fatiga e impacto de los metales y aleaciones, como consecuencia de: Afino del grano: Se produce cuando se forja debido a los golpes, porque los granos del metal se rompen en trozos más pequeños. Si el forjado se interrumpe antes de que la temperatura de recristalización baje, el tamaño del grano crece, lo cual no conviene, ya que el afino del grano (Diminución del tamaño del grano), conlleva unas mejoras de las propiedades mecánicas del metal. Orientación de las fibras: Las fibras hacen variar las propiedades mecánicas del metal, mejorándolas en su dirección, y empeorándolas perpendicularmente a estas. Por ello, la

fibra debe orientarse en la misma dirección que la de los máximos esfuerzos, acorde a la forma de la pieza. Sobre todo, en metales con impurezas, los aceros muy puros evitan este debilitamiento. Las piezas de forja tienen un flujo de grano direccional por lo que sus propiedades mecánicas y metalúrgicas son mejores que cualquier otro proceso. Disminución de sopladuras: El metal tiene unas pequeñas cavidades o vacíos llamados sopladuras, los cuales desaparecen al forjarlo, ya que se produce un aplastamiento que suelda las paredes de dichas cavidades.

VENTAJAS Ahorros significativos

Hay que destacar que al ser un proceso de conformado de metales en el que no se produce arranque de viruta, esto conlleva un importante ahorro de material respecto a otros procesos, como por ejemplo el mecanizado es por esto por lo que la forja es económica y competitiva con respecto a otros tipos de manufacturas. Mediante una utilización mínima de excesos en material, es posible asegurar una optimización en costos, mientras que se provee una pieza con las tolerancias ( la cantidad total que se permite variar en la fabricación de una pieza respecto de lo indicado en el plano; definiremos pues, Tolerancia dimensional a la cantidad total que es permitido variar en la fabricación, a una dimensión especificada en el plano según la cota (altura)apropiadas que garantizan siempre que la pieza pueda limpiar a medidas finales. La forja reduce el peso que requiere para hacer la pieza a la medida, por lo que existe un costo real y significativo. Por otra parte, las piezas cuentan con menor exceso, por lo que requieren menos horas de maquinado y menos material utilizado para limpiar al final la pieza. En cuanto a los costos de mano de obra son moderados, ya que se ha reducido gracias al control automatizado por computadora.

Amplia variedad de formas y tamaños

El diseño de formas es tan versátil que pueden forjarse desde barras simples y anillos hasta piezas más complejas de acuerdo a las diferentes necesidades.

Integridad estructural La integridad estructural de una pieza forjada es insuperable por cualquier otro proceso de transformación ya que elimina porosidades, gases y huecos internos que podrían causar fallas inesperadas bajo estrés, fatiga e impacto, lo cual ayuda a incrementar las propiedades del material para que las piezas forjadas tengan buena resistencia y tenacidad (resiste trabajo sin deflactarse) y se puedan usar con confianza en aplicaciones críticas, donde se requieran grandes resistencias.

Alta Resistencia Debido a la reorientación y al refinamiento de los granos, se produce una uniformidad del material, la cual confiere una mejor respuesta a los tratamientos térmicos. Por consiguiente es posible desarrollar la máxima resistencia de un material con la mínima variación de propiedades entre pieza y pieza. Gracias a su gran resistencia, solidez, uniformidad química y tamaño de grano fino, la forja es más apropiada en muchas aplicaciones que la fundición. También es más resistente que la soldadura, cuya eficiencia es rara vez el 100%. Una soldadura es metalúrgicamente una ranura en elementos con altos esfuerzos, requiere una inspección muy detallada (rayos X, Ultrasonidos, etc.).

Aplicabilidad Surtido de Aceros Casi todos los metales -ferrosos y no ferrosos, pueden ser forjados. Se puede utilizar cualquier tipo de acero: al carbón, aleado, inoxidable o superaleación. Geometrías Una de sus principales ventajas es que la pieza de trabajo sale de este proceso con dimensiones y geometría cercanas a las finales, implicando mayor facilidad y rapidez para su maquinado. Alta Uniformidad La forma geométrica de la pieza se obtiene con un troquel metálico, esto garantiza uniformidad dimensional y estructural. En la forja se logra que una pieza sea idéntica a la otra; por lo anterior es una ventaja para: · Tratamiento Térmico. · Maquinado. · Inspecciones. Aunque puede no ser el método más económico para hacer productos en ciertas geometrías, la historia ha demostrado que la forja tiene el más alto nivel de precisión y combinación de propiedades mecánicas.

4. CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS DE FORJA 4.1 Forja Tradicional En este caso, la forja es el arte y el lugar de trabajo del herrero o forjador, cuyo trabajo consiste en dar forma al metal por medio del fuego y del martillo. Una forja contiene básicamente una fragua para calentar los metales (normalmente compuestos de hierro), un yunque y un recipiente en el cual se pueden enfriar rápidamente las piezas forjadas para templarlas. Las herramientas incluyen tenazas para sostener el metal caliente y martillo para golpearlo. Como principales herramientas para el forjado están: Yunque Es una herramienta de herrería. Está hecha de un bloque macizo de piedra o metal que se usa como soporte para forjar metales como hierro o acero. Normalmente, el peso de un yunque de herrero oscila entre los 50 y 200 kg, habiendo yunques de menos peso, en especial los de joyería, orfebrería y los destinados a afilar guadañas.

Tenazas son usadas para asir el metal incandescente. Varían en un rango de formas y tamaños. Martillo Es una herramienta de percusión utilizada para golpear directa o indirectamente1 una pieza, causando su desplazamiento o deformación. La Fragua Es una herramienta que consta de un recipiente donde se coloca el carbón (de hulla, o carbón de piedra, o sea el carbón natural, no de madera aunque este si es de madera dura también sirve), una manivela conectada a unas paletas (tipo aspas) dentro de una pieza de chapa que al girar la manivela se envía aire controlado para que el carbón se encienda y/o se avive para poder ablandar el hierro que queremos trabajar que irá directamente sobre el carbón encendido.

Tipos de fragua: Fragua del carbón Una fragua que utiliza típicamente carbón de leña como el combustible para calentar el metal. Una fragua de este tipo es esencialmente ahogar o chimenea diseñó

permitir que un fuego sea controlado tales que el metal introducido al fuego puede ser traído a un estado maleable o traer alrededor de otros efectos metalúrgicos (endureciendo, recociendo, y genio de dibujo como ejemplos). El fuego de la fragua en este tipo de fragua se controla de tres maneras: cantidad de aire, volúmenes de combustible, y forma del combustible/del fuego. Fragua del gas Aplicaciones de una fragua típicamente propano o gas natural como el combustible. Las fraguas del gas varían de tamaño y la construcción, de fraguas grandes usando una hornilla grande con un soplador o varias hornillas.

Guante de cuero Mandil de cuero

Al tratarse de un oficio casi en extinción, hay muy pocos artistas forjadores que realmente utilizan el hierro de forma artesanal.

También se pueden clasificar Según 4.2. Temperatura de trabajo: Una manera de clasificar las operaciones de forja es mediante la temperatura de trabajo. La mayoría de las operaciones de forja se realizan en caliente (por arriba y por debajo de la temperatura de recristalización) la temperatura de recristalización es en la cual aparece una microestructura de granos nuevos que tienen pocas dislocaciones, están son un defecto de la red cristalina. Dada la deformación que demanda el proceso y la necesidad de reducir la resistencia e incrementar la ductilidad del metal de trabajo, sin embargo, el forjado en frio (temperatura ambiente) también es muy común para ciertos productos. El proceso de forja en frio requiere mayores fuerzas, por la alta resistencia del material, y los materiales de la pieza deben tener la ductilidad suficiente a temperatura ambiente.

4.2.1 Forja en caliente El 90% de piezas forjadas son hechas con este método. Con el calentamiento correcto de la pieza se mejora la capacidad de ésta para cambiar de forma y dimensiones, sin que se presenten fallas o agrietamiento 

Deformación se efectúa por encima de temperatura de recristalización.



La mayoría de las operaciones de forjado se realiza en caliente.



Requiere menores fuerzas, acabado superficial. y precisión dimensiones no tan

buenos. 

Se reduce la resistencia e incrementa la ductilidad del metal.



El trabajo en tibio se realiza a temperaturas intermedias.

4.2.2 Forja en Frio (Endurecimiento por Deformación) Fundamentalmente se efectúan operaciones de acabado o aquellas que se caracterizan por pequeños porcentajes de deformación. 

Requiere mayores fuerzas, alta resistencia y ductilidad a temp. ambiente.



El material resulta con resistencia más elevada, y con menor ductilidad.



Piezas tienen buen acabado superficial y precisión dimensional



Sus efectos se pueden invertir, mediante el recocido del metal



Las piezas forjadas mediante este proceso presentan buen acabado superficial y

buena precisión dimensional. 4.3. Tipo De Equipo (Forma de aplicación de la presión) 4.3.1. Martinete de forja Estos martinetes funcionan aplicando una descarga por impacto contra el material de trabajo. Se usa frecuentemente el término martinete de caída libre para designar, estas máquinas, por la forma de liberar la energía de impacto. Los martinetes se usan más frecuentemente para forjado con dado impresor. La parte superior del dado de forjado se fija al pisón y la parte inferior se fija al yunque. En la operación, el material de trabajo se coloca en el dado inferior, el pisón se eleva y luego se deja caer sobre la pieza de trabajo. Cuando la parte superior del dado golpea el material de

trabajo, la energía del impacto ocasiona que la parte tome la forma de la cavidad del dado. Se necesitan varios golpes de martillo para lograr el cambio deseado de forma. Los martinetes se pueden clasificar cómo martinetes de caída libre y martinetes de potencia.

Los martinetes de caída libre generan su energía por el peso de un pisón que cae libremente. La fuerza del golpe se determina por la altura de la caída y el peso del pisón. Los martinetes de potencia aceleran el pisón con presión de aire o vapor figura. Una desventaja del martinete de caída libre es que una gran parte de la energía del impacto se trasmite a través del yunque al piso del edificio.

(a) Martinete de vapor con doble marco (b) Martinete de caída libre (c) prensa de forja hidráulica de treinta y cinco mil toneladas

4.3.2. Prensa de forja

Las prensas aplican una presión gradual, en lugar de impactos repentinos para realizar las operaciones de forja. Las prensas de forjado incluyen prensas mecánicas, prensas hidráulicas y prensas de tornillo. Las prensas mecánicas funcionan por medio de excéntricos, manivelas y juntas o articulaciones de bisagra que convierten el movimiento giratorio de un motor en movimientos de traslación del pisón. Las prensas mecánicas típicas alcanzan fuerzas muy altas en el fondo del recorrido de forjado. Las prensas hidráulicas usan un cilindro hidráulico para accionar el pisón. Las prensas de tornillo aplican la fuerza por medio de un tornillo que mueve al pisón vertical. Tanto las prensas de tornillo como las hidráulicas operan a velocidades bajas del pisón o ariete y pueden suministrar una fuerza constante a través de la carrera. Por tanto, estas máquinas son apropiadas para las operaciones de forjado (y otras operaciones de formado) que requieren grandes carreras. 4.4. Grado en que los dados restringen el flujo del metal de trabajo En este caso el dado aplica esfuerzos que exceden la resistencia a la fluencia del metal. Por tanto, el metal se deforma para tornar la forma que determina la geometría del dado.

4.4.1. Forjado en dado abierto Es el proceso más sencillo, consiste en comprimir una pieza de trabajo entre dos dados planos o dados con forma, con una serie de impactos de compresión.

Se puede describir como una pieza sólida colocada entre dos matrices planas o dados, cuya altura se reduce por compresión. También recibe el nombre de recalcado o forjado con dado plano. Las superficies del dado pueden tener cavidades sencillas para producir forjados sencillos. En este proceso se mantiene el volumen constante, toda la reducción de la altura provoca el aumento del diámetro de la pieza forjada. Si el forjado en dado abierto se lleva a cabo bajo condiciones ideales, sin fricción entre la pieza de trabajo y la superficie del dado, ocurre una deformación homogénea y el flujo radial de material es uniforme a lo largo de su altura, tal como se observa en la siguiente figura (b).

Una operación real de recalcado no ocurre así, debido a que la fricción se opone al flujo de metal en la superficie de los dados. Esto crea un efecto de abultamiento en forma de barril, llamado abarrilamiento, como se muestra en la anterior imagen Cuando se realiza un trabajo en caliente con dados fríos, el abarrilamiento es más pronunciado. Esto se debe a: 1) un coeficiente de fricción más alto, típico del trabajo en caliente 2) la transferencia de calor en la superficie del dado y sus cercanías, lo cual enfría el metal y aumenta su resistencia a la deformación. El metal más caliente se encuentra en medio de la pieza y fluye más fácilmente que el metal más frio de los extremos. 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 interfase dado-pieza. Este efecto de abarrilamiento se puede reducir al mínimo con el uso de un lubricante eficaz y con el calentamiento de los dados; además de

poder utilizar barreras térmicas, como por ejemplo tela de fibra de vidrio en el contacto entre el dado y la pieza. El forjado caliente en dado abierto es un proceso industrial importante, las formas generadas por operaciones en dado abierto son simples, como flechas, discos y anillos, un ejemplo de forjado en dado abierto en la industria del acero es el formado de grandes lingotes cilíndricos o cónicos para convertirlos en secciones redondas o cuadradas.

Las operaciones de forja en dado abierto producen formas muy rudimentarias que necesitan operaciones posteriores, como el maquinado, por mencionar alguna, para refinar las partes a sus dimensiones y geometría final. Una contribución importante del proceso de

forjado en dado abierto es la creación de un flujo de granos y de una estructura metalúrgica favorable en el metal. Las operaciones clasificadas en la categoría de dado abierto son operaciones relacionadas y pueden realizarse con dados convexos, con dados cóncavos y por secciones. Forjado con dados convexos es una operación de forja que se utiliza para reducir la sección transversal y redistribuir el metal en una parte de trabajo, como preparación para operaciones posteriores de formado con forja. Se realiza con dados de superficies convexas. Forjado con dados cóncavos es básicamente el mismo que el de dados convexos, excepto que los dados que se utilizan tienen superficies cóncavas. Forjado por secciones (incremental) Consiste en una secuencia de compresiones a lo largo de una pieza de trabajo para reducir su sección transversal e incrementar su longitud. Se usa en la industria siderúrgica para producir lupias y planchas a partir de lingotes fundidos, en la operación se utilizan dados abiertos con superficies planas o con un ligero contorno.

Ventajas 

Sencillez de sus dados que hacen el proceso bastante económico.



Útil para un número pequeño de piezas a realizar.



Amplia gama de tamaños disponibles.



Altos valores de resistencia.

Desventajas 

Limitación en la forma del dado a la hora de crear piezas complejas.



Necesidad de obtener la forma final mediante maquinaria.



Poca capacidad de producción.



Mala utilización del material a procesar.



Destreza para llevar a cabo el proceso correctamente

4.4.2. Forjado en dado impresor o forjado con dado cerrado El forjado con dado impresor o forjado con matriz de impresión la pieza a fabricar adquiere la forma de los huecos o cavidades al forjarse entre dos matrices con perfil. se realiza con dados que tienen la forma inversa de la requerida para la parte. La pieza de trabajo inicial generalmente es cilíndrica o cuadrada, la cual se corta a una longitud para proporcionar el volumen de metal necesario para llenar las cavidades de los dados. Al cerrarse el dado y llegar a su posición final, el metal fluye mas alla de la cavidad del dado y forma una rebaba en la pequeña abertura entre las superficies del dado. Aunque la rebaba se corta posteriormente, tiene una función importante en el forjado por impresión, ya que cuando esta empieza a formarse, la fricción se opone a que el metal siga fluyendo hacia la abertura, y de esta manera fuerza al material de trabajo a permanecer en la cavidad.

Las piezas a forjar pueden ser preparadas previamente con otras operaciones como:

a) Corte o recorte de una barra estirada o extraída. b) Operaciones de preconformado, como por ejemplo la metalurgia en polvos. c) Fundido. Una pieza bruta preformada en un forjado anterior. La pieza en estado bruto se coloca en el dado inferior y al empezar a descender el dado superior la forma de la pieza cambia de forma progresiva.

En el formado en caliente, la restricción del flujo de metal es mayor debido a que la rebaba delgada se enfría rápidamente contra las placas del dado, incrementando la resistencia a la deformación en esa región. La restricción del flujo de metal en la abertura hace que las presiones de compresión se incrementen significativamente, forzando al material a llenar los detalles algunas veces intrincados de la cavidad del dado, con esto se obtiene un producto de alta calidad. El proceso de forjado con dado impresor no tiene tolerancias estrechas de trabajo y frecuentemente se requiere el maquinado para lograr la precisión necesaria. El proceso de forjado genera la geometría básica de la parte y el maquinado realiza los acabados de precisión que se requieren en algunas porciones de la parte, por ejemplo, perforaciones, cuerdas y superficies que deben coincidir con otros componentes. Las ventajas del forjado sobre el maquinado completo de la parte son: velocidades de producción más altas, conservación del metal, mayor resistencia y orientación más favorable de los granos del metal. Ventajas de forjado con dado cerrado.



Buena utilización del material a procesar.



Obtención de piezas con mejores propiedades mecánicas que las obtenidas en

forja con dado abierto. 

Buena precisión dimensional.



Gran capacidad de producción y reproductibilidad.

Desventajas de forjado con dado cerrado 

Gran coste de los dados para bajo número de piezas a producir.



Necesidad del maquinado para la obtención del producto final.

4.4.3 Forjado de precisión Los mejoramientos de la tecnología del forjado con dado impresor han tenido como resultado la capacidad de producir forjados con secciones más delgadas, formas más complejas, reducción drástica de los requerimientos de ahusamiento en los dados, tolerancias más estrechas y la virtual eliminación de concesiones al maquinado. Los procesos de forjado con estas características se conocen como forjado de precisión. En forjado de precisión los dados especiales consiguen que las piezas finales obtengan unas dimensiones más precisas que las obtenidas mediante el forjado con dados de estampado, además requieren menos maquinado. En este proceso se requiere un equipo de mayor capacidad, ya que para obtener los detalles finos de las piezas se debe aplicar mayores fuerzas. Dado que las temperaturas y las fuerzas que se requieren son relativamente bajas, las aleaciones de aluminio y de magnesio son muy aconsejables para este tipo de forjado de precisión. Además los dados se gastan menos y se obtiene un

acabado superficial bueno, también se pueden utilizar aceros y titanio, entre los productos característicos producidos están los engranes, bielas, cajas y alabes de turbina. En la Figura 3.5 se muestra una comparación de forjado de precisión y forjado convencional con dado impresor. En este ejemplo el forjado de precisión no elimina las rebabas, aunque si las reduce considerablemente; algunas otras operaciones de este proceso se realizan sin producir rebaba. Este proceso se clasifica propiamente como un proceso de forma neta o casi neta, dependiendo de la necesidad del maquinado para acabar la forma de la pieza.

En este tipo de forjado se necesitan dados especiales y más complicados, un control más exhaustivo del volumen y forma del tejo, ubicación precisa del tejo en la cavidad del dado y en consecuencia una mayor inversión económica. Sin embargo, se desperdicia menos material y no se precisa tanto maquinado final porque la pieza está más cercana a lograr su forma final. Por lo anterior, para elegir entre el forjado

normal y el de precisión se requiere de un análisis económico especialmente en lo que concierne al volumen de producción Las ventajas de realizar una forja de precisión son: 

Las tolerancias cerradas.



Con frecuencia no se requieren operaciones de maquinado.



Muy buena utilización del material.

Como inconveniente podemos decir que: 

Se requieren grandes fuerzas.



Que los dados son intrincados.



Se requieren medios para separar la forjadura de los dados.

4.5. Según material en exceso 4.5.1. Forjado sin rebaba El dado restringe completamente el material de trabajo dentro de la cavidad y no se produce rebaba excedente. La distinción en este proceso es que la pieza de trabajo original queda contenida dentro de la cavidad del dado durante la compresión y no se forma rebaba. La secuencia del proceso se ilustra en la siguiente figura

El forjado sin rebaba impone ciertos requerimientos sobre el control del proceso, más exigentes que el forjado con dado impresor. Más importante es que el volumen del material de trabajo debe igualar al volumen de la cavidad del dado dentro de muy estrechas tolerancias. Si la pieza inicial es demasiado grande, la presión excesiva puede causar algún daño al dado o a la prensa, en cambio, si la pieza inicial es demasiado pequeña, no se llenará la cavidad. Debido a este requerimiento especial, el proceso es más adecuado en la manufactura de partes geométricas simples y simétricas, y para trabajar con metales como el aluminio, el magnesio y sus aleaciones Las fuerzas en el forjado sin rebaba alcanzan valores comparables a los del forjado con dado impresor.

Además de estas operaciones convencionales de forja, existen otras operaciones de formado de metal, como los son el forjado con rodillos, forjado orbital, forjado isométrico, forjado en dado caliente, forjado radial, rolado de anillos, entre otros. 4.6. Forjado con rodillos Es un proceso de deformación que se usa para reducir la sección transversal de una pieza de trabajo cilíndrica (o rectangular), ésta pasa a través de una serie de rodillos opuestos con canales que igualan la forma requerida por la parte final. El forjado con rodillos se clasifica generalmente como un proceso de forja, aun cuando utiliza rodillos. Los rodillos no giran continuamente, sino solamente a través de una porción de revolución que corresponde a la deformación que requiere la parte. Las partes forjadas con rodillos son generalmente más fuertes y poseen una estructura granular favorable con respecto a otros procesos competidores como el maquinado que puede usarse para producir estas mismas partes.

4.7. Forjado orbital En este proceso, la deformación ocurre por medio de un dado superior en forma de cono que presiona y gira simultáneamente sobre la pieza de trabajo, como se muestra en la siguiente figura. La pieza de trabajo se comprime sobre un dado inferior que tiene una cavidad. Debido a que el eje del cono está inclinado, solamente una pequeña área de la superficie de la pieza de trabajo se comprime en cualquier momento. Al girar el dado superior, el área bajo compresión también gira. Estas operaciones características de este proceso producen una reducción sustancial en la carga requerida de la prensa para alcanzar la deformación del trabajo. Las piezas que se suelen forjar con este proceso tienen forma de disco y formas cónicas, por ejemplo los engranes cónicos.

4.8. Forjado isométrico y forjado en dado caliente Son categorías especiales de procesos de forja en las que las temperaturas de los dados son significativamente más altas que los que se utilizan en los procesos de forja en caliente convencionales Los dados se calientan a la misma temperatura que la de la pieza de trabajo. Se evita que la pieza de trabajo se enfrié al contacto con la superficie fría de los dados, como se hace en el forjado convencional, el metal fluye más fácilmente y la fuerza requerida para desempeñar el proceso se reduce. Se pueden forjar piezas complicadas, con buena precisión dimensional y casi hasta su forma neta, los dados de trabajo suelen hacerse con aleaciones de níquel o de molibdeno. Este proceso es costoso y su producción es lenta. Sin embargo, puede ser económico para forjas complejas, hechas de materiales como titanio o

superaleaciones, siempre que la cantidad necesaria sea lo suficientemente grande como para justificar los costos. El proceso se puede llevar a cabo al vacío para evitar el fenómeno de la oxidación. Similar al forjado isotérmico es el forjado con dado caliente, con la diferencia que los dados se calientan a una temperatura menor que la de la pieza de trabajo. 4.9. Estampado con forja y forjado radial

El estampado y forjado radial son procesos de forjado que se usan para reducir el diámetro de un tubo o barra sólida. El estampado es un proceso para reducir el área de la sección transversal de piezas de trabajo, como lo son las barras, tubos o cables; el proceso se muestra en la siguiente figura, se realiza por medio de dados rotatorios que golpean la pieza de trabajo radialmente hacia dentro los dados giran golpeando la pieza con frecuencias hasta velocidades de 20 golpes por seg. para ahusarla conforme la pieza avanza dentro de los dados.

La pieza de trabajo es generalmente redonda, cuadrada o de otro modo simétrico en la sección transversal, aunque otras formas, tales como rectángulos, puede ser estampados. Algunas veces se requiere el uso de un mandril para controlar la forma y tamaño del diámetro interno de las partes tubulares que se estampan. El forjado radial es similar al estampado, en su acción contra la pieza y se usa para crear formas similares. La diferencia es que en el forjado radial los dados no giran alrededor de la pieza de trabajo; en su lugar, la pieza es la que gira al avanzar dentro de los dados. En la figura siguiente se muestra el proceso de forjado radial.

4.10. Acuñado

El acuñado es una aplicación especial del forjado sin rebaba mediante el cual se imprimen los finos detalles del dado en la superficie superior y en el fondo de la pieza de trabajo. En este proceso hay poco flujo de metal; no obstante, las presiones requeridas para producir los detalles superficiales de la cavidad del dado son altas. El proceso se usa también para dar acabados superficiales y de precisión dimensional a algunas partes fabricadas por otras operaciones. Las aplicaciones más comunes del acuñado son en monedas, medallones y joyería.

4.11. Punzonado El punzonado en forja es un proceso de deformación en el cual se prensa una forma endurecida de acero sobre un bloque de acero suave (u otro metal suave). El proceso se usa frecuentemente para hacer cavidades de moldes para moldeo de plásticos y fundición en dados. La forma de acero endurecido se llama punzón o fresa y está maquinada con la geometría de la parte que se va a moldear. Para forzar la fresa dentro del bloque de metal suave se requiere una presión sustancial, esto se logra generalmente con una prensa hidráulica. La formación completa de la cavidad

del dado en el bloque requiere frecuentemente varios pasos, como el fresado seguido del recocido para remover el endurecimiento por deformación. Cuando el bloque del material se ha deformado en cantidades significativas, como se muestra en la figura, se elimina el exceso por maquinado. La ventaja del punzonado en esta aplicación es que es más fácil maquinar la forma positiva que erosionar la cavidad negativa. Esta ventaja se multiplica en los casos donde se tienen que hacer cavidades múltiples en el bloque del dado.

. 4.12. Recalcado Es una operación de deformación en la cual una parte o pieza de trabajo cilíndrica aumenta su diámetro y reduce su longitud. Es una operación industrial que puede también llevarse a cabo como un proceso de forjado en dado cerrado como se observa en la siguiente figura

El recalcado se usa ampliamente en la industria de los sujetadores para formar cabezas de clavos, pernos y productos similares de ferretería. En estas aplicaciones se emplea frecuentemente el término encabezamiento para denotar la operación. Debido a este tipo de aplicaciones, se producen más partes por recalcado que por cualquier otra operación de forjado. Se realiza como una operación de producción en masa en frío, en tibio o en caliente, con máquinas especiales de recalcado por forja, llamadas formadoras de cabezas. En general, estas máquinas se equipan con deslizaderos horizontales, en lugar de las verticales usadas en los martinetes y prensas convencionales. El material con que se alimentan estas máquinas son barras o alambres, se forman las cabezas en los extremos de las barras y luego se corta la pieza a la longitud adecuada para hacer el artículo de ferretería deseado. 4.13. Laminado de anillos

Es un proceso de conformado muy versátil para manufacturar forjas anulares sin costura con dimensiones precisas y flujo de grano circunferencial. El laminado de anillos usualmente requiere menos material de entrada que otros métodos de forja alternativos y puede producirse en cualquier cantidad. En el laminado de anillos, la pieza debe ser preformada, en una prensa o en un martillo de forja, para que sea puesta sobre un mandril de diámetro ligeramente 38 menor al del agujero de la pieza. Los principales componentes del proceso de laminado de anillos son ilustrados en la figura siguiente

Un laminado de anillos típico está conformado de tres juegos de rodillos, cada uno con funciones específicas. El primer juego corresponde al de rodillos radiales, los cuales incluyen al rodillo principal y el mandril, estos son los que reducen el espesor radial del anillo. El segundo es un conjunto de rodillos axiales los cuales restringen el crecimiento axial y controlan la altura del anillo. Finalmente, los rodillos guías que son los que mantienen la forma circular del anillo y proporcionan soporte durante la operación de lamiando. El laminado de anillos en caliente es un proceso avanzado utilizando típicamente

para la fabricación de partes con geométricas complejas, anillos de grandes dimensiones y anillos que pasarán por procesos posteriores. Posee características como deformación en tres dimensiones, linealidad baja, conformado progresivo continuo y asimetría. Además, existen notables cambios de calor entre el anillo y sus alrededores, mientras tanto, el trabajo plástico como la fricción convertida en energía calorífica, hace que el anillo cambie continuamente de temperatura y que no sea uniforme. El cambio en la temperatura hace que tenga un efecto notable en el comportamiento de la deformación, microestructura y propiedades mecánicas del anillo. Los anillos producidos no tienen costuras y sus aplicaciones incluyen guías de cojinetes antifricción, anillos de rotación, rodamientos de ruedas de ferrocarril, anillos de conmutadores, componentes de reactores nucleares, rines, etc. MATERIALES A QUE SE APLICA Puesto que el trabajo de forja está basado en la aptitud para la recristalización y el crecimiento de los granos, sólo se podrán trabajar así los metales que cumplan esta doble condición, podrán ser forjados todos aquellos materiales y aleaciones que presenten una buena plasticidad a la temperatura de trabajo, por lo que los cúbicos de cara centrada y algunos cúbicos de cuerpo centrado y hexagonales compactos podrán forjarse; los más comunes son los aceros al carbono y de baja aleación. Materiales con alguna aplicación industrial son, por ejemplo: como metales puros el aluminio, el cobre, el hierro, el titanio y el cinc. (Entre más puros menor es su temperatura de recristalización) Son forjables como aleaciones las formadas por una o varias soluciones sólidas de todas ellas, lo más importante es el acero no aleado, o simplemente aleado, ya que los aceros altamente aleados exigen en su mayoría grandes esfuerzos lo cual es un inconveniente en las

matrices en cuanto a su duración. Son también forjables las aleaciones de aluminio con cobre, magnesio, cinc y manganeso; las de magnesio; los bronces y latones y hasta las aleaciones de cobre-silicio. Los más comunes son: Aceros al carbono, aleados, inoxidables, de alta dureza, aluminio, titanio, cobre y latón, y aleaciones refractarias que contienen cobalto, níquel o molibdeno. Cada aleación tiene diferentes propiedades, niveles de resistencia y peso, características específicas, determinadas por el usuario para un mejor uso.

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 Berilio Algunas aleaciones de materiales refractarios, tales como el tungsteno, niobio y molibdeno. 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 < 0.65% y Mn + Ni + Cr + Mo + V + W < 5%

Aceros de forja difícil C > 0.65% o Mn + Ni + Cr + Mo + V + W > 5% De los aceros inoxidables los de más difícil forja son los austeníticos, por su gran tenacidad. Se debe tener precauciones durante el enfriamiento de los inoxidables martensíticos para evitar un temple involuntario, que se puede traducir en limitada maquinabilidad, así como en agrietamiento del material. En general, los inoxidables ferríticos son más forjables. Los aceros refractarios y de alta aleación presentan inconvenientes durante el proceso, ya que generalmente su plasticidad es reducida por la presencia de algunos microconstituyentes frágiles, como carburos y nitruros. En general, existe una gran cantidad de aleaciones de aluminio forjables, aunque se debe tener cuidado ya que las condiciones de proceso de éstas varían notablemente en función de sus aleantes. Tanto el cobre como varias de sus aleaciones pueden ser conformados por forja. La aleación de cobre de más fácil forja es el latón 60/40, la mayor dificultad corresponde al cuproaluminio 90/10. Estas piezas tienen aplicaciones muy variadas dependiendo de la

aleación de que se trate, ya que pueden ser utilizados en contactos y conexiones eléctricas, ornamentación, herramientas, pernos, engranes, soportes, etc. Por sus características mecánicas se recomienda que el magnesio y sus aleaciones se forjen en prensas hidráulicas o en prensas mecánicas lentas. En general, estas piezas son demandadas por la industria aeronáutica y automotriz en condiciones de servicio, hasta de 200

°C.

El titanio y sus aleaciones se pueden forjar con geometrías similares a las obtenidas para los aceros al carbono, aunque se requieren mayores presiones. Se deberán tener cuidados especiales durante las operaciones de precalentamiento así como será necesario el empleo de atmósferas inertes o al vacío. Las piezas de titanio y sus aleaciones son demandadas por la industria química y aeroespacial, por ejemplo, refuerzos y elementos estructurales en aviones, álabes y otros componentes de turbinas. Existe una gran diversidad de aleaciones de níquel que pueden ser forjadas, como el monel, inconel, hastelloy, etc.; en general, se requieren temperaturas similares que para los aceros al carbono, y se demandan mayores presiones. Por sus características, estos materiales son solicitados principalmente por la industria química.

Defectos en forja En los procesos de manufactura se pueden presentar diversos defectos, dependiendo de factores como los materiales, diseño de las piezas y técnicas de procesamiento. Aunque algunos de estos defectos solo afectan a la apariencia de las piezas, otros causan efectos adversos de importancia en la integridad estructural de las piezas fabricadas.

Las piezas forjadas se utilizan ampliamente en casi todas las industrias. A menudo estas piezas desempeñan un papel crítico en el diseño global, por lo tanto, hay una gran necesidad de entender los diversos defectos de fabricación que afectan a dichas piezas forjadas.

Los principales tipos de defectos en aceros forjados se pueden agrupar en dos categorías, de la siguiente manera:

1.

MATERIA PRIMA: Durante la colada de lingotes de acero, se pueden generar

distintos defectos, a continuación se describe brevemente los defectos más comunes que ocurren durante este proceso:

Proyecciones metálicas, formadas por aletas, rebabas o protecciones masivas como ondulaciones y superficies ásperas.

Cavidades por contracción, este defecto es una depresión de la superficie o un hueco interno debido a la contracción por solidificación que restringe la cantidad de metal fundido disponible en la última región que solidifica. Ocurre frecuentemente cerca de la parte superior de la fundición, en cuyo caso se llama “rechupe”.

Microporosidad, se refiere a una red de pequeños huecos distribuida a través de la fundición debida a la contracción por solidificación del último metal fundido en la estructura dendrítica.

Discontinuidades como son grietas, grietas en caliente o en frio, y puntos fríos. Si al metal en solidificación se le restringe en su libre contracción, puede ocurrir el agrietamiento y el desgarramiento. Aunque están involucrados muchos factores en el agrietamiento, un tamaño de grano grande y la presencia de segregados de bajo punto de fusión a lo largo de las fronteras de grano (intergranular) incrementa la tendencia al agrietamiento por calor. El punto frio es una interfaz en una fundición que carece de una fusión completa debido a la unión de dos corrientes de metal líquido provenientes de puertas diferentes.

Superficie defectuosa, como son pliegues, traslapes, cicatrices, capas de arena adheridas y cascarilla de óxido.

Sopladuras, este defecto es una cavidad de gas en forma de esfera causada por un escape de gases del molde durante el vaciado.

Puntos de alfiler, es un defecto similar al de las sopladuras que involucra la formación de numerosas cavidades pequeñas de gas en la superficie de la fundición o ligeramente por debajo de ella.

Inclusiones, que se forman durante la fusión, solidificación y molde. Por lo general, de naturaleza no metálica (sulfuros, óxidos, silicatos, alúminas), se consideran como perjudiciales porque actúan como elevadores de esfuerzo y reducen la resistencia de la fundición, afectando propiedades como la ductilidad, resistencia, a la fractura y a la tensión. Durante la fusión se pueden formar inclusiones cuando el metal fundido reacciona con el entorno (por lo general oxigeno) o con el material del crisol o del molde. Reacciones químicas entre los componentes del metal fundido pueden producir inclusiones, las escorias y otros materiales extraños atrapados en el metal fundido, también se convierten en inclusiones.

2.

FORJA: de acuerdo con la condición del material y las variables del proceso, los

productos forjados desarrollan varios defectos que pueden afectar en forma apreciable su resistencia y su calidad. Algunos defectos son visibles a simple vista; otros sólo se pueden descubrir con técnicas o métodos de inspección, como lo es el ultrasonido, líquidos penetrantes, partículas magnéticas, entre otros. A continuación, se detallan algunos de los defectos más comunes del proceso de forja: Superficie defectuosa, como son pliegues, traslapes, astillas, fisuras, cascarillas, cavidades superficiales, vetas, oxidación y la descarburación por la exposición al medio ambiente. Agrietado superficial, es el resultado de las altas temperaturas de la pieza de trabajo que causan el desarrollo de grietas en la superficie, ocurre frecuentemente cuando la velocidad de deformación es demasiada alta asociada con generación de calor. Otros factores que

contribuyen al agrietamiento superficial son la alta fricción y el enfriamiento rápido de la superficie de la pieza de trabajo. Agrietamiento y reventado central, este defecto es una grieta interna que se desarrolla como resultado de los esfuerzos de tensión a lo largo de la línea central de la pieza de trabajo durante el proceso de forja. Si los esfuerzos de tensión son suficientemente grandes, ocurre el reventado central. Algunas condiciones que promueven estas fallas son las impurezas (inclusiones), cavidades o microporosidades presentes la pieza de trabajo. Inclusiones, son defectos internos presentes en la matriz de la pieza de trabajo que se quedan retenidas en el material durante su fundición y solidificación. Cavidades, microporosidades, al igual que las inclusiones, estos defectos (internos) provienen de los procesos de fundición y solidificación del material. Dichos defectos pueden ser eliminados durante el proceso de compresión, mediante una suficiente y uniforme deformación de la pieza de trabajo Aunque podrá no considerarse como defecto, otro aspecto importante de la calidad en una forja es el patrón de flujo del grano. Hay casos en que las líneas de flujo llegan perpendicularmente a una superficie, descubriendo los límites de grano directamente al ambiente. En servicio estos granos pueden ser atacados por el ambiente, produciendo una superficie rugosa y funcionar como concentradores de esfuerzos

MÉTODOS DE DETECCIÓN DE DEFECTOS EN FORJA

Los defectos en forja pueden causar fallas por fatiga y originar otros problemas como la corrosión y el desgaste durante la vida del componente. Resulta de vital importancia inspeccionar las piezas forjadas antes de su puesta en servicio, especialmente en aplicaciones críticas. La examinación metalográfica es un método comúnmente utilizado para caracterizar los defectos del proceso de forja. La mayoría de los principales defectos de piezas de acero forjadas tienen características distintivas metalográficas, por lo que es posible diferenciarlos mediante este método. Existen ciertas técnicas de montaje, pulido, ataque químico y de examinación en las piezas, que permiten tener una relación con el tipo de defecto o defectos presentados en el material. Se debe reconocer que hay limitaciones en cuanto a que tan lejos podemos llegar en el análisis de la causa raíz de los defectos de forja con estas técnicas metalográficas, por lo que existen otras técnicas de caracterización que en ocasiones son necesarias para resolver el problema, tales como Microscopia Electrónica de Barrido / Microanálisis por Energía Dispersiva (SEM / EDS) y análisis con Microsonda electrónica.

MAQUINAS Y EQUIPOS PARA EL PROCESO DE FORJA Estas equipos se clasifican por la forma de hacer contacto con el material de trabajo; esto es, Por impacto y a presión. Equipos para forja por impacto: El equipo que se usa en el proceso de forjado consiste en máquinas de forja, con distintas capacidades, velocidades y

características de carrera. Estas máquinas se clasifican en martinetes o martillos. Además, se utilizan dados de forjado. Máquinas de Forja, que se clasifican en martinetes o martillos. Martinetes de forja: Los martinetes obtienen su energía de la energía potencial del ariete, que a su vez se convierte en energía cinética. A diferencia de las prensas hidráulicas, éstos trabajan con grandes velocidades, se basan en la aplicación de impactos consecutivos sobre el material proporcionándole deformaciones superficiales, se clasifican en el modo de obtención de energía: martinetes de caída por gravedad, martinetes accionados por energía, martinete de contragolpe, martinete de gran potencia.

Martinetes de caída por gravedad o caída libre: En la operación de este martillo, la energía se obtiene de la caída libre del ariete o masa, Se necesitan varios golpes de martillo para lograr el cambio deseado de forma. La energía disponible depende tanto del peso de la masa como de la altura desde la cual se deje caer la misma, estos pesos pueden ser de180kg a 4,500Kg (400 a 10,000 lb), y las capacidades de energía llegan hasta los 120 KJ (90,000 pies/lb). 𝐸𝑇 =

1 . 𝑚. 𝑣 2 = 𝑚. 𝑔. ℎ 2

Martinetes accionados por energía: En estas máquinas la carrera del ariete hacia abajo se acelera con vapor, aire o presión hidráulica, a unos 750KPa (100 psi). El peso del ariete varía de 225Kg a 22,5000Kg (500 a 50,000 lb), y las capacidades de energía son hasta de 1,150 KJ (850,000 pies-lb). 𝐸𝑇 = 𝑚. 𝑔. ℎ + 𝑝. 𝑆. ℎ P= Presión;

S = Área del cilindro;

h = Altura de caída.

Martinete de contragolpe: Este martinete tiene dos arietes que se acercan entre sí, en forma simultánea, en dirección horizontal o vertical, para forjar la pieza, estos equipos trabajan a grandes velocidades y transmiten menos vibración a sus cimientos. Sus capacidades llegan hasta 1,200 KJ (900,000 pies-lb).

Martinete de gran potencia: el ariete se acelera mediante un gas inerte a alta presión, y la pieza se forja en un golpe a muy alta velocidad. Aunque hay diversos tipos de estas máquinas hay varios problemas relacionados con su funcionamiento y mantenimiento, y con consideraciones de seguridad y de fractura de dados, que han limitado su uso en plantas actuales de forjado.

Dados de Forjado: Los dados se pueden clasificar como machos y hembras; también se pueden clasificar por su tamaño. En general, los dados pequeños son aquellos que tienen una superficie de 103 𝑚𝑚2 a 104 𝑚𝑚2 , mientras que los grandes tienen una superficie de 105 𝑚𝑚2 o mayores. Están hechos principalmente de aceros y pasan por un tratamiento térmico para mejorar sus propiedades físicas y mecánicas como endurecimiento para soportar fuertes impactos y altas temperaturas. Se clasifican en dados cerrado y dados abiertos.

a) Dados para estampado, producción de barras redondas y hexagonales. b) Dados para producción de piezas con formas complejas.

Herramientas Especiales: en esta clasificación encontramos herramientas convencionales como el yunque, el martillo, pinzas y cincel entre otras. El yunque: esta herramienta viene en muchos tamaños dependiendo del tipo de metal del que esté forjada. Se utiliza de acero endurecido para dar forma a metal caliente de la manera deseada. El yunque proporciona una superficie dura sobre la cual golpear el metal cuando se vuelve maleable después de haber sido calentado a la temperatura deseada en una forja. El martillo: se utilizan una gran variedad de estos para golpear el metal. Además de dar forma, se utilizan para cortar y extraer metales. En este proceso el martillo golpea al acero al rojo vivo para alargarlo. Estos martillos varían en forma, pero por lo general cuentan con un extremo cuadrado y otro en forma de cuña para cortar acero caliente. Deben ser de peso moderado porque el herrero tiene que servirse de ellos todo el día, por lo general pesan alrededor de 2 1/2 libras (1,13 kg).

El cincel: se utilizan para cortar el acero caliente con el golpe del martillo.

Las pinzas. Están forjadas con largas piezas de acero al carbono, se emplean pinzas para mover el metal sobre el yunque o para sostener la pieza al momento de golpear con el martillo sobre el yunque.

Equipos Auxiliares. Hornos, sopletes: para calentar el material de trabajo, fueron diseñados para calentar metales, son utilizadas en herrerías para la forja ornamental, moldear el hierro hasta conseguir las formas deseadas, trabajar los extremos, fabricar herraduras, templar piezas. Todos los hornos de forja tienen una puerta trasera desmontable para poder calentar las barras de hierro en el centro ya que facilita y agiliza el trabajo en piezas de grandes longitudes. Dispositivos mecánicos para cargar y descargar el material de trabajo y estaciones de recorte para recortar las rebabas del forjado con dado impresor.

Equipos para forjar por presión: estos equipos se basan en prensas de forjado, las prensas aplican una presión gradual para realizar las operaciones de forja. Las prensas de forjado incluyen prensas mecánicas, prensas hidráulicas y prensas de tornillo.

Prensas mecánicas: Funcionan por medio de

manivelas y juntas o articulaciones de

bisagras. Su velocidad varía desde un máximo al centro de la carrera hasta cero, en una prensa mecánica se genera la energía mediante un gran volante, accionado por un motor eléctrico; un embrague acopla al volante con un eje excéntrico; y una biela transforma el movimiento reciprocante en movimiento lineal.

Prensas hidráulicas: Estas prensas funcionan a velocidades constantes y están limitadas o restringidas por la carga, esto quiere decir, que la prensa se detiene si la carga requerida es mayor que su capacidad. Como el forjado en prensa hidráulica tarda más que otros tipos de máquinas para forjar, la pieza se puede enfriar con rapidez, a menos que se calienten los dados. En comparación con las prensas mecánicas, las hidráulicas son más lentas e implican mayor costo inicial, pero requieren menos mantenimiento. Las capacidades de prensado llegan hasta 125MN (14,000 toneladas) para forjar en dado abierto y hasta 450MN (50,000 toneladas) para forjar en dado cerrado.

Prensas de tornillo: Obtienen su energía de un volante, por lo que son de energía limitada. La carga de forjado se transmite por un tornillo vertical y el ariete es para cuando se disipa la energía del volante. Si no se cierran los dados al final del ciclo, se repite la operación hasta que se termina el forjado. Las prensas de tornillo se usan con distintas operaciones de forjado con dado abierto y con dado cerrado. Se adaptan en particular para pequeñas producciones y para piezas de precisión. Sus capacidades van de 1.4 MN hasta 280MN (160 a 31,500 toneladas).

a)

Unidad con fricción

b)

Unidad de accionamiento eléctrico directo

Equipos Auxiliares: Hornos para calentar el material trabajo, dispositivos mecánicos para cargar y descargar el material de trabajo y estaciones de recorte para recortar las rebabas del forjado con dado impresor.

11. PARAMETROS 11.1 Fuerza Fuerza necesaria para realizar la forja: se aplica para el cálculo de la fuerza máxima durante la operación, ya que ésta determinará la capacidad requerida en la prensa o martinete que se

usará en la operación. La fuerza máxima se alcanza al final de la carrera o golpe de forjado donde el área proyectada es más grande y la fricción es máxima.

11.1.1. donde si se trata de forja con estampa A es el área proyectada de la pieza incluyendo la rebaba Yf es el esfuerzo de flujo del material a la temperatura de forjado Kf (factor de forma) se obtiene de tablas.

11.1.2. En forja libre A es el área de contacto entre la matriz y la pieza Kf se obtiene de:

Donde u es el coeficiente de rozamiento entre el material y la prensa

D y h son el diámetro (o longitud de contacto) y la altura de la pieza en el instante calculado.

11. 2 Esfuerzo de fluencia Indicación del esfuerzo máximo que se puede desarrollar en un material sin causar una deformación plástica. Es el esfuerzo en el que un material exhibe una deformación permanente especificada y es una aproximación práctica de límite elástico. Para formar exitosamente un metal éste debe poseer ciertas propiedades. Las propiedades convenientes se necesita un material con baja resistencia a la fluencia Cálculo del esfuerzo de fluencia:

donde K es el coeficiente de resistencia del material y n es el coeficiente de endurecimiento por acritud.

11.3. Presión En operaciones de forjado en caliente la presión necesaria para la mayoría de los metales va de valores de 550 MPa a 1000 MPa. La potencia total de la prensa está en función de la multiplicación de la sección del émbolo de trabajo por la presión, esto es

𝑃=

𝑃𝑜 ∗ 𝑆𝑜 𝑆

Donde: P: Presión ejercida por la prensa. Po: Presión de trabajo So: Sección del émbolo S: Sección de la pieza 11.4. Deformación producida por Maquinaria. 11.4.1. Deformación producida por prensas Se calculan de la misma manera que las deformaciones producidas por los martinetes.

𝑒=

𝜑∗𝑃∗ℎ 𝜎𝑓 ∗ 𝑆

11.4.2. Deformación producida por Martinetes Suponiendo que la masa de peso P (Kg) cae de una altura h (mm) produciendo una energía potencial E. Como parte de la energía se pierde por los rozamientos, la energía real estará en función del rendimiento energético f. La superficie de contacto es S, la resistencia del material a la deformación f (Kg/𝑚𝑚2 ) y la magnitud de deformación e. Asi, la deformación será

𝑒=

𝜑𝑓 ∗ 𝑃 ∗ ℎ 𝜎𝑓 ∗ 𝑆

Si además se impulsa la masa con una fuerza exterior, la magnitud de deformación será:

𝑒=

𝜑𝑓 ∗ (𝑃 + 𝐹) ∗ ℎ 𝜎𝑓 ∗ 𝑆

Cuando se estudia el comportamiento mecánico de los metales a los efectos de su conformado plástico, interesan dos características: 11.5. La Ductilidad / Plasticidad, que es la propiedad que tienen los metales de deformarse sin romperse; Respecto a la ductilidad En el conformado en frío, el metal se endurece en forma progresiva y permanente a medida que aumenta la deformación. Por este motivo se fragiliza, no pudiendo alcanzar grandes deformaciones (ductilidad reducida). En el conformado en caliente, en forma simultánea con la deformación, se produce la recuperación y recristalización del material. Por este motivo el material no endurece, dado que la ductilidad es casi ilimitada, pudiéndose así alcanzar grandes deformaciones. 11.6. La Resistencia a la deformación, necesaria para calcular las fuerzas que se ponen en juego para realizar una determinada operación Para la resolución de problemas de plasticidad, es útil establecer funciones para la relación entre la resistencia a la deformación (f ) y el grado de deformación (φ), es decir, f = f (φ), y

φ=ln(h/h0 )

Diagrama del ensayo de compresión de un acero bajo carbono: Como todo material muy plástico, no tiene un límite de rotura definido. Respecto de la Resistencia a la deformación: En donde: 𝜎𝑓 = 𝑐 ∗ 𝜑 𝑛 = 𝑓(𝜑; 𝜑 ´ ; 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎; 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙) f = resistencia a la deformación c = constante que depende del material; φ = grado de deformación (forjabilidad) n = endurecimiento ´= velocidad de deformación. Respecto de la Resistencia a la deformación: La velocidad de deformación casi NO influye en el conformado en frío. En cambio, en el trabajado en caliente, si lo hace, y su influencia es mayor a medida que aumenta la temperatura. A mayor velocidad, el material opone más resistencia para ser deformado. 11.7. Temperatura

El principal factor que se debe controlar en el proceso de conformado en caliente es la temperatura a la cual se está calentando el material. Si el calentamiento es insuficiente el metal será más difícil de trabajar debido a que posee una menor ductilidad y maleabilidad propiedades que se le confieren al calentarlos a una temperatura adecuada. Su velocidad de calentamiento dependerá del tipo de metal y de su espesor. El forjado en caliente se hace por encima de la temperatura de recristalizacion. La temperatura de recristalización va entre 0,3 y 0,5 Tm, siendo Tm el punto de fusión del metal en escala absoluta. Esta temperatura de recristalización se define también como la necesaria para producir ala recristalización completa en aproximadamente 1 hora. Se disminuyen así la densidad de dislocaciones, y eleva la ductilidad. Con esto se ve que en general se forja por encima de la temperatura de recristalización, convirtiendo la estructura “fundida” (frágil), en estructura forjada (tenaz, la energía capaz de absorber o acumular un material antes de alcanzar la rotura en condiciones de impacto). Cuando el metal se deforma en frío aumenta su resistencia debido al endurecimiento por deformación, pero si el metal se deforma a una temperatura lo suficientemente elevada (por arriba del punto de recristianización) no ocurre el endurecimiento por deformación, en su lugar se forman nuevos granos libres de deformación 11.8. Lubricante Un lubricante sirve para reducir la friccion metal-metal, desmoldear (posibilitar la eyeccion o remoción de las piezas forjadas de la matriz), refrigerar (retirar calor excesivo de las matrices),preservar (Proteger y por consecuencia extender la vida útil de las matrices)En el forjado se puede emplear gran variedad de lubricante. Para una forja caliente se suelen emplear grafito, disulfuro de molibdeno, y, a veces, vidrio. Para la forja en frío los

lubricantes que se usan generalmente son aceites minerales y jabones, aplicados después del recubrimiento de conversión de las piezas brutas. En la forja en caliente el lubricante se suele aplicar directamente sobre los dados, mientras que en la forja en frío se aplica sobre la pieza. El método de aplicación y la uniformidad del espesor del lubricante son muy importantes para la calidad del producto forjado.

El método de elementos finitos (FEM) es una herramienta útil en el análisis de procesos de conformado, que permite mejorar el diseño de proceso realizando las iteraciones de ajuste en simulaciones computacionales, en lugar de hacerlo sobre pruebas físicas . Las simulaciones FEM pueden predecir el flujo del material y las cargas de forja a través de etapas consecutivas de conformado, evaluar el impacto de los cambios en la geometría inicial del material, anticipar los defectos del proceso, prever el desgaste y las fallas en los dados y evaluar diferentes alternativas de proceso Así, el análisis FEM se ha convertido en una herramienta esencial en el desarrollo de productos y también en la optimización del diseño del proceso de forja, al reducir los tiempos de desarrollo y el desperdicio de material.

PRODUCTOS CARACTERISTICAS DE MATERIALES FORJADOS 

Repetibilidad: Largas series de productos idénticos



Excelente propiedades mecanicas

Tenacidad Ductilidad Resistencia a la fatiga Resistencia a la corrosión Gracias a 

El fibrado direccional (siguiendo el contorno de la pieza)ya que el proceso refina

y orienta el flujo de grano acorde a la forma de la pieza. 

Alta productividad (n° de piezas/hora)



Las cotas y superficies funcionales (Tolerancia y acabados superficiales) suelen

precisar mecanizado posterior Se pueden producir piezas en un variado rango de dimensiones y formas para diversas aplicaciones en la industria (electrónica, electrodomésticos, tornillería, maquinaria, fontanería, telecomunicaciones, automoción (piñones, solenoides, pistones, bielas, piezas para asientos, alternadores, válvulas, piezas antivibratorias, bastidores, etc.)

En las fotos se muestran algunos ejemplos de piezas obtenidas por forja.

Forja en caliente Técnicamente todos los metales tienen aleaciones que son forjables, las aleaciones más comunes a en la forja son: acero al carbono, acero inoxidable, aluminio, cobre, latón, bronce, hierro, níquel, cobalto, titanio, magnesio... Mediante este proceso se puede producir una amplia variedad de piezas las cuales son utilizadas en cantidad de sectores, tales como en el sector aeroespacial (motores de aeronaves, fuselajes, equipos auxiliares…), automoción (juntas, chasis, cigüeñales...), eléctrico, maquinaria y equipamiento, herramientas de mano e industriales, construcción,

minería, fontanería (accesorios de tubería, válvulas, bridas…) construcción naval, ferroviario...

Los productos de la forja se suelen usar en sistemas de suspensión tienen una alta demanda dadas las necesidades de resistencia a la fatiga, construcción liviana, y producción económica. En maquinarias destinadas al trabajo vial o minero, con piezas sometidas a exigentes operaciones de carga y desgaste. Los componentes forjados aseguran una larga

vida útil, además de verificar con las altas exigencias a que son sometidos en equipos ferroviarios. En máquinas agrícolas se utilizan ruedas dentadas, piñones, coronas, barras de mando, masas de ruedas, palieres, ejes, brazos de dirección, bielas, puntas de ejes, horquillas. Las válvulas que se utilizan para conducir fluidos de distintos tipos, están sometidas a exigentes condiciones de desgaste y corrosión. Empresas nacionales

Esta empresa es fabricante de piezas forjadas para la industria en general mediante la forja por estampa; a su vez son productores de piezas en laminas de acero de diversos espesores mediante el proceso de troquelado y estampado. Fue fundada en 1999 y basa su operación en la orientación alemana y el conocimiento y experiencia en los procesos de la forja por estampa adquiridos por sus fundadores. El desempeño de los productos y procesos actualmente establecidos han logrado el reconocimiento de todos nuestros clientes pertenecientes a los sectores automotriz, eléctrico, líneas férreas, maquinaria agrícola y pesada y la industria en general, tanto nacionales como internacionales.El profundo conocimiento en la implementación del proceso de forja por estampa nos ha permitido desarrollar una extensa variedad de productos, entre los cuales destacamos autopartes. A Sub-ensambles como equipo original con destino a ensambladores establecidas en Colombia tales como Toyota, Renault, general motors, Mazda, Mitsubishi. Maquinaria agrícola,

maquinaria pesada, componentes eléctricos, componentes para líneas férreas, forja en bronce entre otros productos Ubicación: Giron, Santander

FormaQ es una empresa del sector Metalmecánico dedicada a la fundición y fabricación de partes de materiales No Ferrosos para diversas industrias. Línea Procesos de Forja Es un proceso que se realiza para la formación de piezas específicas y se produce por la aplicación de fuerza por impacto. Nuestra compañía cuenta con una prensa de 200 toneladas y 2 de 130 toneladas, para forja de 80 hasta 450 gramos por pieza, con una capacidad de 1500 golpes por turno. El proceso está apoyado en la unidad de fundición, donde podemos trabajar con materiales tales como: cobre rojo y latón. Productos: Accesorios para vidrio, bisagras, chapetas, boquete, Conectores, Acoples, Niples. Ubicada en Bogotá

CEFORJA es una empresa nariñense, con más de 20 años de experiencia, es una empresa dedicada al diseño y fabricación de todo tipo de artículos de forja, mármol y fundición de metales no ferrosos, elaborados artesanalmente y con diseños personalizados. Si usted tiene un diseño, una idea o busca algo particular y único, nosotros se lo fabricamos cuidando minuciosamente hasta el último detalle. Busca rescatar los procesos de valor artesanal, para realizar trabajos personalizados y con diseños originales puesto que nuestro trabajo es completamente manual, para esto es necesario una combinación de fuerza en el trabajo, tiempo y dedicación, para alcanzar la satisfacción en el gusto y la necesidad de nuestros clientes. En CEFORJA “damos forma a sus ideas”. Empresas internacionales

Ubicada en España

FORBRASS es una empresa especializada en la forja y estampación en caliente de metales no férricos (aluminio, latón, cobre, etc.) que desde 1993 lleva desarrollándose y adaptándose a la constante evolución tecnológica que este sector demanda. FORBRASS cuenta con una eficiente plantilla, con la que conseguimos que los productos se adecuen a las necesidades de nuestros clientes, tomando como referencia de calidad la norma ISO 9001. En nuestras instalaciones disponemos de prensas de medio tonelaje así como de toda la maquinaria auxiliar necesaria para ofrecer el producto óptimo para cada uno de nuestros clientes. Sectores de producción: Automotriz, Electrodomésticos, Grifería, Herrajes, ventanas y puertas. Forja: En el área de forja disponemos de prensas de husillo hasta 600TN y prensas para trabajos en horizontal y vertical de 300TN. Rebabado: En el área de rebabado disponemos de prensas hidráulicas semiautomáticas que nos dan una gran flexibilidad para grandes producciones. También disponemos de una instalación robotizada de rebabado automático con visión artificial, lo que nos otorga capacidad productiva para series largas. Tratamientos térmicos. Muchos de nuestros productos requieren tratamientos térmicos para obtener sus características óptimas de servicio. Forbrass realiza estos tratamientos como parte de un servicio integral a cliente. Acabados superficiales. Acabados con granalla de acero, granalla inoxidable o por vibración, que garantizan la idoneidad superficial de la pieza final.

Otros acabados. También tenemos la capacidad de realizar otros acabados superficiales, tales como decapados químicos, estañados, niquelados, plateados, cincados, anodizados.

FORJA DE MONTERREY Forja de Monterrey es una empresa orgullosamente mexicana y respaldada por Grupo Quimmco, estamos dedicados a producir componentes forjados para la industria automotriz y de vehículos comerciales, entre otros mercados. Contamos con líneas de forjado en caliente capaces de producir piezas de entre 5 kg y 140 kg, utilizando principalmente procesos de forja cerrada, extrusión y rolado transversal. PRODUCTOS Algunos de los productos que ofrecemos son: Vigas, Cigüeñales, Muñones, Brazos de Suspensión, Husillos, Yugos ,Flechas de Transmisión, Cuerpos de Válvulas. Forjas ded monterrey, http://forja-mty.com.mx/

https://johnguio.files.wordpress.com/2013/09/clase-magistral-forja.pdf

EMPRESAS NACIONALEShttp://www.formaq.com/forja-en-caliente/

EMPRESAS EXTRANJERAS https://www.forbrass.com/

https://johnguio.files.wordpress.com/2013/09/clase-magistral-forja.pdf http://www.gestiondecompras.com/es/productos/forja/forja

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CONCLUSIONES EN INGLES La forja es el proceso de modificar la forma de los metales a través de la deformación plástica cuando se somete un material a una presión o una serie de impactos continuos, es por tal razón que normalmente se realiza calentando los metales a altas temperaturas para así poder mejorar sus propiedades mecánicas como la ductilidad y la resistencia a la fatiga. Forging is the process of modifying the shape of metals through plastic deformation when a material is subjected to a pressure or a series of continuous impacts, which is why it is usually done by heating the metals at high temperatures in order to be able to improve its mechanical properties such as ductility and resistance to fatigue.

La resistencia a la compresión no es más que la capacidad de los materiales para soportar las fuerzas que intentan acortarlo. Las operaciones de compresión en particular en el acero con mayor porcentaje de carbono son difíciles de forjar, estas son prácticamente las más intensas de todas las operaciones con prensas.

REFERENCIAS

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Rodelo, C. (2010). Conformación plástica de metales: forja. [diapositivas de dropbox]. Recuperado de https://dl.dropboxusercontent.com/content_link/BnQpIyF7mWidIT0Mx2qCcXqxIPu r3l9NKGDjRGdWjhFJbBu6ZCF3lHKsKcZtstJX/file?dl=1 Somosbuhos, (2017). Materiales procesos de acero forjado. [archivo de video]. Recuperado de https://www.youtube.com/watch?v=XdBkmDzIWn4