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Universidad Politécnica Salesiana Nombre: Ricardo Torres Grupo: 1 Preguntas Capitulo 14 14.1 ¿Cuál es la diferencia entre forjado en frío, en caliente y a temperatura media? - Forjado en frio. - requiere fuerzas grandes debido a la mayor resistencia del material de la pieza del trabajo debe poseer suficiente ductilidad a temperatura ambiente para someterse a la deformación necesaria que se agrieta. Tiene buen acabado superficial y precisión dimensional - Forjado caliente. - requiere de fuerzas menores y su acabado final respecto a la precisión dimensional y acabado superficial no son muy elevadas. 14.2 Explique la diferencia entre forjado de matriz abierta y por impresión de matriz El forjado de matriz abierta, la pieza de trabajo solida es colocada entre dos matrices planas y cometidas a compresión por lo que se produce un estiramiento de la pieza. Se puede incorporar cavidades poco profundas o rasgos para producir forjas simples. El forjado por matriz de impresión, la pieza de trabajo toma la misma forma de la cavidad de matriz, y la pieza es colocada en medio de dos matrices. Produce una rebaba mientras el resto de material llena las cavidades de la matriz. 14.3. Explique la diferencia entre forjado con dado cóncavo, convexo y bloqueo. En el forjado con dado convexo se retira material de un área. En el forjado con dado cóncavo se acumula material en un área localizada. El forjado por aproximación o bloqueo sirve para dar una forma aproximada al material después de haber hecho forjado cóncavo o convexo, utilizando matrices de aproximación. 14.4 ¿Qué factores están involucrados en el forjado de precisión? Los factores involucrados en el forjado de precisión son:    

El requerimiento de matrices especiales y más complejas. El control preciso del volumen y la forma de la pieza en bruto. Tomar en cuenta el posicionamiento exacto de la pieza en la cavidad de la matriz. Se requiere equipos de más capacidad debido a la necesidad de mayores fuerzas.

14.5 ¿Qué tipo de partes puede producir el forjado rotatorio? El Forjado Rotatorio es un proceso de forja en el cual una barra solida o tubo se somete a fuerzas de impacto radial por medio de una serie de matrices reciprocantes de la maquina en el cual la pieza de trabajo se mantiene estacionaria y las matrices giran golpeando la pieza hasta una velocidad de 20 golpes por segundo dando como resultado:

-Hojas de desarmadores. -Puntos de hierro para soldadura. - Ensamblaje de accesorios en cables y alambres, etc. 14.6. Explique las características de una matriz típica de forjado. Una matriz típica de forjado es el forjado de matriz abierta       

Es la operación más simple de forjado La mayoría de las partes forjadas de matriz abierta pesan de 15 a 500 kg (30 a 1000 libras), Las partes forjadas 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). Son matrices simples y poco costosas Buena característica de resistencia por lo general para cantidades pequeñas Realizan forjas relativamente simples. Tiene una velocidad de producción baja.

14.7 Explique a qué se refieren los términos “de carga limitada”, “de energía limitada” y “de recorrido o carrera limitada” en relación con las máquinas para forjado. Carga limitada: esto se refiere a una maquina como la prensa que detiene sus operaciones cuando la carga excede su capacidad Energía limitada: La energía que la maquina requiere tiende a agotarse dependiendo del tipo de fuente. Recorrido o carrera limitada Refiere a que la energía que la maquina requiere tiende a agotarse dependiendo del tipo de fuente. Un ejemplo estas máquinas son las Prensas de tornillo, estas obtienen su energía de un volantín, por lo que son de energía limitada. 14.8 ¿Qué es un bigote o rebaba de forja? Es el exceso de metal que se recorta posteriormente. La rebaba desempeña un papel importante en el forjado por matriz de impresión. La temperatura elevada y la alta resistencia a la fricción resultante en la rebaba representan una severa restricción al flujo exterior del material en la matriz. 14.9 ¿Por qué el punzonado de cavidades, o clavado, es una alternativa atractiva para producir matrices simples? -

Porque son poco profundas. Porque es un proceso que prensa un punzón endurecido dentro de la superficie del material y esta cavidad producida se utiliza luego como matriz para operaciones de forjado.

14.10.- ¿Cuál es la diferencia entre penetrado y troquelado?

PENETRADO Se penetra la superficie de la pieza sin atravesarla El trozo recortado es el desperdicio, el resto es la pieza principal a producir Realiza perforaciones, agujeros redondos

TRONZADO Se trabaja en láminas en frío El trozo del material que recorta el punzón llamado “troquel”, es la pieza principal a producir Realiza desbarbado, eliminando metal en exceso Realiza cortado, doblado y curvado

14.11. ¿Cómo puede decir si una parte está forjada o fundida? Explique las características que investigaría. - Aplicaciones y usos que puede llegar a tener la pieza, si bien existe coincidencias, los procesos de forjado y fundido tienen especificaciones diferentes para el conformado de un conjunto mecánico. - Forma de la pieza, en el proceso de fundido no existe restricción para la creación de piezas con formas peculiares y únicas, pero para el proceso de forjado no se puede realizar algunas formas específicas debido a las restricciones que posee la matriz o la máquina para forjado, entre otros aspectos. - Estructuras internas de la pieza ya que estos procesos causan diferentes cambios en la estructura interna de la pieza. - Defectos en la pieza y reconocer cuáles son del proceso de fundido y cuáles son del proceso de forjado. - Acabados superficiales que tendría cada proceso. 14.12 ¿Por qué es importante la forma intermedia de una parte en las operaciones de forjado?  

Es importante la forma intermedia para que se llene adecuadamente las cavidades de la matriz Para adecuar el diseño de las matrices cuando fluya donde hay menor resistencia

14.13 Explique las funciones de las rebabas en un forjado por impresión de matriz. En un forjado por impresión de matriz las rebabas restringen el flujo exterior del material en la matriz por la presión ejercida haciéndolo fluir al interior de la cavidad, debido a la temperatura elevada y la alta resistencia a la fricción que resultan en las rebabas. 14.14. ¿Por qué el control de volumen de la pieza en bruto es importante en el forjado en matriz cerrada?

Por lo siguiente, la presión de forjado es muy alta lo cual es fundamental 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. Las piezas en bruto subdimensionadas evitan el llenado de la cavidad de la matriz lo cual no nos va a generar rebaba; por el contrario, las piezas sobredimensionadas generan presiones excesivas y pueden hacer que las matrices fallen de manera prematura o que la máquina se atasque. 14.15.- ¿Por qué hay tantos tipos de máquinas para forjado? Describe las capacidades y limitaciones de cada una de ellas. Prensas Hidráulicas Son prensas que funcionan a velocidades constantes y son de carga limitada o restringida. Estas pueden transmitir grandes cantidades de energía a una pieza con una cargar constante y una velocidad que se puede controlar. El tiempo de trabajo es mayor que en otros tipos de máquinas, y las piezas se pueden enfriar con rapidez, además, son más lentas y tienen costos iniciales más altos, pero requieren menor mantenimiento. Prensas mecánicas Son prensas de tipo manivela o excéntrica. Tienen altas velocidades de producción, son más fáciles de automatizar y el operador requiere menos habilidades para manejar, y estas son utilizadas para forjar partes de alta precisión. Son de recorrido o carrera limitada y la fuerza disponible en una prensa mecánica depende de la posición del recorrido y se vuelve extremadamente alta en la parte inferior del centro “muerto” Prensas de tornillos Se utilizan para varias operaciones de matriz abierta y cerrada. Además, son adecuadas para producciones pequeñas, pero que necesitan mucha precisión. No es recomendado utilizarlas para una producción grandes, además, son de energía limitadas. Martillos Estos operan a altas velocidades y el tiempo reducido de formato minimiza el enfriamiento de una forja en caliente. Por lo que, las bajas velocidades de enfriamiento permiten el forjado de formas complejas. Son de energía limitada, y la rapidez de estas máquinas es mucho menor a las de las prensas Martinetes El recorrido del ariete hacia abajo se acelera con presión de vapor, aire o hidráulica.

Contramartillos Tiene dos arietes que se acercan al mismo uno al otro, horizontal o verticalmente, a fin de forjar la parte. Operan a altas velocidades y transmiten menos vibración a sus bases 14.16 ¿Cuáles son las ventajas y limitaciones de (a) una operación de desbaste, y (b) forjado isotérmico? VENTAJAS DE UNA OPERACIÓN DE DESBASTE  Permite separar y evacuar fácilmente las materias voluminosas arrastradas por el agua bruta, que podrían disminuir la eficacia de los tratamientos o complicar la realización de los mismos.  Elimina componentes sólidos del agua por medio de rejas que están formadas por barrotes paralelos.  Se usan para remover grandes cantidades de material de la pieza, a fin de producir una forma muy cercana a la requerida LIMITACIONES  Es recomendable evitar la colocación de rejas de limpieza manual por razones de mantenimiento y explotación. En estas los residuos recogidos deben ser eliminados de manera discontinua.  El desbaste manual requiere de un operador ya que facilita las otra etapas VENTAJAS DEL FORJADO ISOTÉRMICO   



Reducción del costo de material debido a una utilización significativamente inferior de material por pieza. Reducción del mecanizado posterior debido a la gran precisión en la obtención de las formas geométricas deseadas así como de las tolerancias permitidas de cada pieza. Uniformidad del producto resultante ya que con este proceso se obtienen unas piezas con propiedades mecánicas uniformes debido a las pocas o inexistentes gradientes térmicas resultantes durante el proceso de forjado a lo largo de la pieza, propias de los otros procesos de forjado. Con este método de forjado se pueden forjar ciertos materiales que no podrían forjarse con otros métodos. Un ejemplo de dichos materiales sería la aleación Alloy 100 que produce múltiples roturas en la pieza usando métodos convencionales de forja.

DESVENTAJAS DEL FORJADO ISOTÉRMICO  Es muy costoso  La velocidad de producción es baja 14.17.- Describa sus observaciones en relación con la figura 14.16.

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 (a). Por otro lado, si la el alma es demasiado gruesas, el exceso de material fluye nuevamente sobre las partes ya formadas de la forja y desarrolla grietas internas (b) Los diversos radios en las cavidades de la matriz de forjado pueden influir de manera significativa en la formación de dichos efectos. 14.18 ¿Cuáles son las ventajas y limitaciones de utilizar insertos de matrices? Ventajas: -Los materiales se fabrican en varias piezas segmentadas. -Se puede elaborar formas complejas. Limitaciones: -Puede ocurrir desgaste o una falla en una zona particular. -Materiales más resistentes y duros. 14.19. Revise la figura 14.5d y explique por qué los ángulos de salida interiores son más grandes que los exteriores. ¿Esto también es cierto para la fundición de molde permanente?

Los ángulos de salida son necesarios en casi todas las matrices de forjado para facilitar la extracción de la parte de la matriz. Al enfriarse, la forja se contrae radial y longitudinalmente, de modo que se forman ángulos de salida internos mayores que los externos. Los ángulos internos son de 7º a 10º, en tanto que los externos son de entre 3º y 5º. 14.20 Haga comentarios en relación con el patrón de flujo de los granos en la figura 14.12.   

Los granos en caliente son forzados a tomar la forma del material de forja, causando que el flujo de grano quede paralelo a las cargas máximas anticipadas. Con el diseño adecuado el flujo de grano puede ser orientado en dirección de las tensiones principales encontradas en el uso real. El patrón del flujo de grano en forja aparece con los materiales fraguados lo cual es muy importante en las propiedades físicas y comportamientos de los metales.

14.21 Haga comentarios en relación con el control del espesor final de un tubo en la figura 14.15.

Como podemos observar el uso del mandril nos ayuda a que el espesor sea uniforme dependiendo del diámetro del mandril, así como darle distintas formas al tubo en su interior como sus formas transversales por el forjado rotatorio ya que sin el uso del mismo el espesor de la pared aumenta en la separación de la matriz. 14.22. Si inspecciona algunos productos forjados (como una llave para tubos) puede ver que las letras sobre ellos se resaltan en vez de estar rebajadas. Explique por qué están producidas de esta manera. Esto se debe a que el acuñado para producirlas logra dimensiones más exactas, así mismo la impresión de detalles es muy fina en el componente final, los cuales tienen una capacidad de producción muy elevada pero que las presiones requeridas pueden ser tan elevadas como cinco o seis veces la resistencia del material. 14.23 Describa las dificultades comprendidas al definir con precisión el término “forjabilidad” La forjabilidad es la capacidad de los metales para sufrir deformación plástica sin romperse ni desarrollar defectos, pudiendo ser ésta en frio o en caliente. Pero esta definición es poco detallada ya que no se toma en cuenta cada aspecto que esta implica. Las dificultades más grandes al tratar de definir con precisión el termino forjabilidad son las distintas formas en las definir para cada material en particular todas las propiedades que implican el termino forjabilidad. 14.24 Identifique las normas de diseño de la fundición (descritas en la sección 12.2) que también se pueden aplicar al forjado. - Tolerancias dimensionales. - Esquinas, ángulos y espesores de sección. - Operaciones de acabado. 14.25 Calcule la fuerza de forjado de una pieza de trabajo sólida, cilíndrica, producida con acero 1020, que tiene 3.5 pulgadas de altura y 5 pulgadas de diámetro, y cuya altura se va a reducir 30%. Considere un coeficiente de fricción de 0.2. DATOS ACERO 1020 2.54 𝑐𝑚 1𝑚 H= 3.5𝑝𝑢𝑙𝑔 ∗ 1 𝑝𝑢𝑙𝑔 ∗ 100 𝑐𝑚 = 0.0889 m D= 5 𝑝𝑢𝑙𝑔 ∗

2.54 𝑐𝑚 1 𝑝𝑢𝑙𝑔

𝜇 = 0.2 RESOLUCIÓN 𝑉0 = 𝑉𝐹

1𝑚

∗ 100 𝑐𝑚 = 0.127 m

𝜋 ∗ 𝑟𝑜 2 ∗ ℎ𝑜 = 𝜋 ∗ 𝑟𝑓 2 ∗ ℎ𝑓 𝜋 ∗ 0.06352 ∗ 0.0889 = 𝜋 ∗ 𝑟 2 ∗ 0.02667 𝑟𝑓 = 0.1159 𝑚 La cantidad Yƒ en la ecuación 14.1 es el esfuerzo de flujo del material El valor absoluto de la deformación real a la que se somete dicha pieza al final del recorrido en esta operación es ℎ𝑜 𝜖 = 𝐿𝑛 ( ) ℎ𝑓 0.0889𝑚 𝜖 = 𝐿𝑛 ( ) 0.02667 𝑚 𝜖 = 1.204 Hallamos K y n K= 780 MPa n= 0.13 ∇= 𝐾𝜖 𝑛 ∇= 780 ∗ 1.2040.13 ∇=799 MPa Entonces recién podemos calcular la fuerza de forjado de una pieza de trabajo sólida: 𝐹 = 𝑌𝑓 ∗ 𝜋 ∗ 𝑟𝑓 2 (1 + 𝐹 = 799 MPa* 𝜋 ∗ 0.11592 ∗ (1 +

2𝜇𝑟𝑓 ) 3ℎ

2∗0.2∗0.1159 3∗0.02667

)

𝐹 = 42.91x106 N 14.26 Mediante la ecuación 14.2, estime la fuerza de forjado de la pieza del problema 14.25, suponiendo que es un forjado complejo y que el área proyectada de la rebaba es 40% mayor que el área proyectada de la pieza de trabajo forjada. Fuerza de forjado: 𝐹 = 𝑘 ∗ 𝑌𝑓 ∗ 𝐴 𝑌𝑓 = 799𝑀𝑃𝑎

𝐹 = 7 ∗ 799 ∗ 29.164 𝐹 = 1.63114252 ∗ 1011

14.27. Tome dos especímenes sólidos cilíndricos del mismo diámetro, pero de diferentes alturas, y comprímalos (sin fricción) al mismo porcentaje de reducción de la altura. Muestre que los diámetros finales son los mismos. El porcentaje de reducción será del 50%, por lo que las alturas se reducirán a la mitad.

Para determinar el radio después de la comprensión igualamos los volúmenes de las piezas cilíndricas antes y después de la deformación, por lo tanto: 𝑉1 = 𝑉𝟐 𝜋𝑟𝑖 2 ℎ𝑖 = 𝜋𝑟𝑓 2 ℎ𝑓 Donde 𝑟𝑖 y ℎ𝑖 son el radio y la altura antes de la compresión y 𝑟𝑓 y ℎ𝑓 son el radio y la altura después de la compresión. 𝜋𝑟𝑖 2 ℎ𝑖 𝑟𝑓 = √ 𝜋ℎ𝑓 Cilindro 1

𝜋 ∙ 52 ∙ 100 √ 𝑟𝑓 = 𝜋 ∙ 50 𝑟𝑓 = 7.07 𝑚𝑚

𝜋𝑟𝑖 2 ℎ𝑖 𝑟𝑓 = √ 𝜋ℎ𝑓 Cilindro 2

𝑟𝑓 = √

𝜋 ∙ 52 ∙ 50 𝜋 ∙ 25

𝑟𝑓 = 7.07 𝑚𝑚 Comprobamos que al final de la compresión quedan los mismos diámetros para los dos cilindros.

14.28 En el ejemplo 14.1, calcule la fuerza de forjado, suponiendo que el material es aluminio 1100-O y que el coeficiente de fricción es 0.2. Datos D = 150 mm h = 100 mm Se reduce 50% a temperatura ambiente por medio de forjado de matriz abierta con matrices planas: h = 100*0.5 = 50 mm A partir del volumen constante:

final

inicial

(𝜋 ∗ 𝑟22 ∗ ℎ2 ) = (𝜋 ∗ 𝑟12 ∗ ℎ1 ) (𝜋 ∗ 𝑟22 ∗ 50) = (𝜋 ∗ 752 ∗ 100) 𝜋∗ 752 ∗100

𝑟2 = √ Aluminio 1100–O K = 180 (MPa)

50∗𝜋

= 106.066 mm

n = 0.20 𝑌̅𝑓 = 𝑌̅𝑓 =

𝐾 𝜖𝑛 1+𝑛

180 ∗ 𝜖 0.20 = 183.21 1.20

𝐹 = 𝑌̅𝑓 ∗ 𝜋 ∗ 𝑟 2 ∗ (1 + 𝐹 = 183.21 ∗ 106 ∗ 𝜋 ∗ 0.1062 ∗ (1 +

2𝜇𝑟 ) 3ℎ

2 ∗ 0.2 ∗ 0.106 ) = 8.3 ∗ 106 𝑁 3 ∗ 0.050

14.29 Mediante la ecuación 14.1, realice un diagrama de la fuerza de forjado (F) en función del radio (r) de la pieza de trabajo. Suponga que el esfuerzo de flujo (Yƒ) del material es constante. Recuerde que el volumen del material permanece constante durante el forjado, así que cuando h disminuye, r aumenta.

Figura 14.1 Formula de la fuerza del forjado de matriz abierta.

Donde:

𝑌𝑓 = 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙. 𝑢 = 𝑐𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑝𝑖𝑒𝑧𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑦 𝑚𝑎𝑡𝑟𝑖𝑧. 𝑟 = 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑖𝑒𝑧𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜. ℎ = 𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑖𝑒𝑧𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜.

RADIO

FUERZA DE FORJADO

ALTURA

VOLUMEN

5

392,7

3,47

392,448

5

40,005

2,55

392,542

6

43,437

1,954

392,875

7

48,218

1,543

392,646

8

54,568

1,25

392,7

9

62,751

1,033

392,678

10

72,951

0,868

392,674

11

85,417

0,74

392,888

12

100,366

0,637

392,235

13

117,981

0,5555

392,660

14

138,739

0,488

392,473

15

162,388

0,4325

392,676

16

189,611

0,386

392,901

17

220,295

0,346

392,404

18

254,774

0,3125

392,7

19

293,750

0,2835

392,773

20

336,517

0,2581

392,449

21

383,931

0,236

392,209

22

436,476

23

493,986

14.30. ¿Cómo haría para calcular la fuerza requerida en una operación de punzonado de cavidades, suponiendo que el material es acero dulce y el área proyectada de a impresión es 0?5 pulg2? Explique con claridad. TENEMOS LOS DATOS AREA proyectada=0.5 𝑝𝑢𝑙𝑔2 = 3225,8 𝑚𝑚2  Primeramente, tomamos en cuenta la dureza para hallar el UTS del acero dulce.



Dureza brinell HB=135-160 Utilizamos un HB intermedio de 148 Utilizamos la formula

UTS =3.5 (HB) UTS=3.5 X 148 UTS=518 Mpa  UTILIZAMOS LA FORMULA DE FUERZA DE CLAVADO FUERZA DE CLAVADO=3(UTS) X Área 𝑁

FUERZA DE CLAVADO=3 x518 𝑚𝑚2

x 3225.8 𝑚𝑚2

FUERZA DE CLAVADO=5 012 893.2 N 14.31 Una prensa mecánica se activa por medio de un motor de 30 hp y opera a 40 golpes por minuto. Utilice un volantín, de modo que la velocidad del cigüeñal no varíe de manera considerable durante la carrera. Si ésta es de 6 pulgadas, ¿cuál es la máxima fuerza constante que se puede ejercer sobre toda la longitud de la carrera o recorrido? 𝐹∗𝐿∗𝑉 𝑅 𝑃∗𝑅 𝐹= 𝐿∗𝑉

𝑃=

L= longitud V= velocidad P= Potencia R= número de revoluciones Datos L=6 pul=0,1524 m V= 40 revoluciones por minuto= 0.6667 revoluciones por segundo P= 30 hp= 22370 W R=1 revolución

𝐹=

22370 ∗ 1 = 220166,157 𝑁 0,1524 ∗ 0,6667 𝐹 = 220.166 𝐾𝑁

14.32.-Para la misma prensa mecánica del problema 14.31 ¿a qué espesor se puede forjar un cilindro de aluminio 5052-O que tiene 3 pulgadas de diámetro y 2 pulgadas de altura que se forjará antes de que la prensa se detenga?

DATOS R=36.3 mm

D= 3 pulg = R=36.3 mm H=2 pulg

H = 54.2mm

K=138 (Mp) n=0.20 𝑌̅𝑓 = 𝑌̅𝑓 =

𝐾 𝜖𝑛 1+𝑛

138 ∗ 𝜖 0.20 = 140.46 1.20

𝐹 = 𝑌̅𝑓 ∗ 𝜋 ∗ 𝑟 2 ∗ (1 +

2𝜇𝑟 ) 3ℎ

2𝜇𝑟

h=

𝐹 −1) 𝑌𝑓 ∗𝜋∗𝑟2

3∗( ̅

h=

2∗36.6∗0.20 219.18 −1) 140.46∗𝜋∗36.32

3∗(

h = 45.18 mm

14.33 Suponga que es un instructor que cubre los temas descritos en este capítulo y está haciendo un examen sobre los diversos aspectos para evaluar los conocimientos de los estudiantes. Elabore dos problemas cuantitativos y proporcione las respuestas. Formulas:

  Ln

h0 h

1.

Y  K n

1

0,4 D

F  Yf A f K f

Una parte cilíndrica de D= 2,5 pulg, y h=2,5 pulg, es recalcada en un dado abierto a una altura de 1,5 pulg. El coeficiente de fricción en la interface dadotrabajo=0,10. El material de trabajo tiene una curva de fluencia definida por K= 40000lb/pulg2. Y n=0,15. Determine la fuerza instantánea en la operación: a) en el momento en que se alcanza el punto de fluencia (fluencia a la deformación=0,002), b) si h=2,3 pulg, a) Cuando alcanza la fluencia por deformación ε= 0,002 Yt= K

n =40 000lb/pulg2 x (0,002)0,15=15 747,6lb/pulg2.

F

Yf Af K f =15 747, 6 lb/pulg2 x 1,04 x 4,90pulg2= 80 249,76 lb

b) Cuando h= 2,3 pulg.

Para el cálculo de Kf debemos hallar cuanto es el diámetro de la pieza cuando su altura disminuye a 2,3 pulg. Sabemos que el volumen es invariable y que: V0

Vf

Af

h f =4,9 pulg2

2,5 pulg

12,27 pulg3

Despejando Af para de allí obtener el diámetro

2. Se ejecuta una operación de encabezamiento den frío para producir la cabeza de un clavo de acero. El coeficiente de resistencia del acero es K= 80 000lb/pulg2 y el exponente de endurecimiento por deformación n=0,24. El coeficiente de fricción en la interface dado-trabajo =0,10. El alambre del cual se hace el clavo es de 3/16 de pulg de diámetro. La cabeza tiene un diámetro de 3/8 de pulg y un espesor de 1/16 de pulg: a) ¿Qué longitud de alambre se debe proyectar fuera del dado para proveer el volumen suficiente de material para esta operación de recalcado? b) calcule la fuerza máxima que debe

aplicar el punzón para formar la cabeza en esta operación de dado abierto. a) En este ejercicio lo que debemos calcular primero es el volumen que compone

la cabeza del clavo que es el mismo del alambre que se proyecta fuera del dado

14.34 Diseñe un método experimental por el cual pueda medir sólo la fuerza requerida para forjar la rebaba en el forjado por impresión de matriz. Se puede colocar un tubo dentro del canal en donde sale la rebaba, y medir la presión en ese instante. El tubo no deberá ser mayor que el diámetro del canal. La rebaba saldrá al canal y creará alta presión para que el material rellene las cavidades de la matriz complemente, en ese mismo instante será posible medir la presión existen y necesaria para la aparición de la rebaba. Manómetro

Adicional, en el mismo tubo se puede colocar una pequeña cámara de fibra de vidrio que permita, además de verificar la presión visualmente, ver el momento en que empieza a formarse la rebaba. 14.35. Suponga que representa a la industria del forjado y que está enfrentando a un representante de la industria de la fundición. ¿Qué le diría a esa persona sobre los méritos de los procesos del forjado? El proceso de modelado por forja es en cierto grado superior a los procesos de modelado por fundición por los siguientes aspectos: - El forjado de piezas metálicas ofrece un menor costo cuando la fabricación es en alto volumen - Una de las más grandes dificultades y desventajas de la fundición son los altos puntos de fusión de los aceros que se requiere para poder llevarse a cabo la fundición. - Casi todos los metales ferrosos y no ferrosos pueden ser forjados. - Se puede utilizar cualquier tipo de acero: al carbón, aleado, inoxidable o superlación. - Ningún otro proceso de deformación del acero puede igualar la capacidad de la forja de desarrollar una óptima combinación de propiedades. 14.36 En la figura P14.36 se muestra una forja redonda por impresión de matriz producida con una pieza en bruto cilíndrica, como se muestra a la izquierda. Conforme a lo descrito en este capítulo, dichas partes están hechas en una secuencia de operaciones de forjado. Sugiera una secuencia de pasos intermedios de forjado para hacer la parte de la derecha y dibuje la forma de las matrices requeridas.

Operaciones:     

Preparar una pieza de metal, tocho o preforma mediante procesos como cizallado (recorte), aserrado o tronzado. calentar la pieza de trabajo en un horno apropiado, Para forjado en caliente, precalentar. Forjar el tocho en las matrices apropiadas y en la secuencia adecuada. De ser necesario eliminar cualquier exceso de material. Realizar la operación de Punzonado de cavidades o clavado. Efectuar operaciones adicionales, como enderezado y tratamiento térmico (para mejorar las propiedades mecánicas)

14.37 Los engranes se pueden fabricar por medio de forjado, en particular los engranes cónicos. Investigue en la bibliografía técnica y describa la secuencia de los pasos de manufactura comprendidos. Comente la calidad de dicho engrane si se compara con uno fabricado mediante los procesos de fundición descritos en el capítulo 11. 1) La zona de forja está formada por el horno de inducción, la prensa que realiza la deformación plástica, las prensas de rebaba y la prensa de punzonado en el caso de los engranajes. 2) Una vez los tacos están cortados a la medida óptima según los cálculos del diseño, son conducidos mediante la cadena transportadora hasta la zona de calentamiento. Los hornos son necesarios para la preparación del material antes de la deformación plástica. 3) Como norma general la temperatura de trabajo debe ser la máxima de forma que no se produzca oxidación en el material. Además de no producir reacciones químicas indeseadas como la descarburación o defectos internos o externos en la pieza. La mínima temperatura de calentamiento del material debe ser aquella en la que el material obtenga la viscoplasticidad que permita su deformación. La temperatura de calentamiento estará situada en torno a los 1000º C. En el pliego de condiciones se establecen las temperaturas a las que se debe trabajar en función del tipo de engranaje que se va a fabricar.

4) La temperatura de proceso es también, como lo es el aspecto dimensional, un parámetro que debe ser controlado. Para ello, se utilizan medidores pirométricos electrónicos, dispuestos en la salida del horno. 5) Si durante este proceso se detectara una temperatura anómala se efectuaría un rechazo de la pieza mediante selectores mecánicos comandados por la orden de los medidores pirométricos. 6) El horno utilizado en el proceso es de inducción. El proceso de inducción genera calor gracias al efecto de histéresis magnética y las corrientes de Foucault, producidas en el interior del material por un campo magnético alterno de una bobina que envuelve la pieza. El proceso de calentamiento dura aproximadamente 1 minuto y medio desde que el taco se introduce en el horno hasta que la temperatura se estabiliza. 7) Para la fabricación de los engranajes se parte del taco con el diámetro adecuado. La primera operación se lleva a cabo en matriz abierta y se obtiene una preforma que recibe el nombre de “pan”. 8) La siguiente operación se realiza en matriz cerrada de donde se obtiene la pieza final. Los troqueles son piezas con una vida limitada debido a los grandes esfuerzos que realizan. Por ello se debe controlar periódicamente el estado de los troqueles. El material utilizado para estas piezas es acero para trabajos en caliente 9) Los ejes primarios de cambio comienzan el proceso de fabricación con una forja libre para el reparto másico. 10) Posteriormente, son necesarios dos procesos de forja cerrada para obtener la geometría definitiva previa al mecanizado. Del mismo modo que para los engranajes, se debe realizar un rebabado de la pieza. Las prensas de rebaba eliminan el exceso de material de la pieza forjada. 11) Este material sobrante describe un contorno siguiendo la línea de los dos troqueles. El material sobrante se recoge en contenedores para el reciclaje. En este punto del proceso se llevan a cabo operaciones de control mediante detectores magnéticos de grietas con el objetivo de confirmar que la operación de forja es correcta. Además de esta comprobación se hace un análisis dimensional básico de la pieza para comprobar que no existan defectos de llenado, exceso de rebaba o desplazamiento de las matrices. 12) Al finalizar el granallado se efectúa un control visual de todas las piezas. Es posible que exista algún defecto que haya podido el eliminar el proceso de granallado. Estos defectos se rectificarán mediante pequeñas muelas. La zona de expedición y control final comprende las operaciones de ensayo de defectos mediante corrientes inducidas. El ensayo se realiza según el manual de calidad de las piezas. 13) El proceso de fabricación de la planta de forja finaliza en este punto a falta de la expedición. Finalmente, las piezas son empaquetadas en cajas de madera y etiquetas con el distintivo de conformidad.

Según el capítulo 11, los engranes son fabricados con mayor continuidad mediante fundición que por forjado por la precisión y calidad del engrane propuesto a realizarse. 14.38. El forjado es un método de producción de alabes para turbinas de motores a reacción (además de la fundición o el maquinado). Estudie el diseño de dichos alabes y la literatura técnica; después prepare un procedimiento paso por paso para producir alabes mediante forjado. Comente las posibles dificultades que se pueden encontrar y ofrezca soluciones. Pasos: 1. Se realiza mediante aleación de níquel a 600°C. 2. Se cubre con una capa de cerámica para evitar que la superficie se oxide a altas temperaturas. 3. Se calienta durante 15 minutos en u horno a 900°C. 4. Mediante un robot vaporiza este en lubricantes de dos troqueles dentro de una pieza, luego se recoge las porciones y se llena en el primer troquel. 5. Luego se transporta al segundo troquel donde este se forma una pala, seguidamente este se enfría. 6. Se lima la rebaba de los cantos de la pala. 7. Se da forma a la lámina mediante cola de Milán. 8. A 900*C se calienta la cerámica y luego se enfría por ciclos esto hace que llegue a tener mayor resistencia la pala. 9. Luego a 1600 toneladas de presión se da forma definitiva al alabe. 10. Se elimina el exceso del metal donde el calor convierte la capa de cerámica en cristal y luego se despega. 11. Se tarda una hora en hacer el alabe. 12. Se inspecciona con la máquina de medir. 13. Se realiza una matriz de cobertura que protege durante la cola de milano. 14. Se moldea la matriz a través de esta; o líquido y bismuto. 15. Se solidifica con un molde duro alrededor del alabe. 16. La col de milano sobresale en los extremos y luego se carga en una rectificadora con serie de dientes que esculpe la cola de milano en los extremos finales. 17. Se quita el molde, luego se carga en una máquina para retirar la pieza seguidamente se golpea con un cilindro hidráulico en su punto más débil hasta partirlo en dos

18. Luego se saca el alabe, luego se sumerge en un líquido que penetra en cualquier imperfección del metal. 19. Se inspecciona nuevamente y se examina con luz ultravioleta luego se realiza con la cola de mileno para el sellado del vacío de la pieza y se hace el ultimo chequeo. Dificultades y soluciones: El alto rendimiento de corte de la cerámica se basa en las características especiales del material de corte. Esto incluye dureza extremadamente alta hasta 3.000 HV10 (metal duro: hasta un máximo de 2.500 HV10), alta Resistencia a la temperatura de 1.100 °C (metal duro: máximo 1.000 °C), un bajo coeficiente de fricción y una baja adherencia al desgaste. Sin embargo, estas propiedades beneficiosas sólo se pueden utilizar si se cumplen varias condiciones. Todo depende de la buena estabilidad de la pieza y del bajo voladizo de la herramienta. La máquina tiene que estar diseñada para trabajar a unas revoluciones entre 15.000 a 30.000 rpm con el fin de ser capaz de utilizar las estrategias pertinentes con altas velocidades de corte. También tiene que estar equipada con un sistema de extracción con guías encapsuladas para las partículas de cerámica que se producen durante el mecanizado. 14.39 Al comparar partes forjadas y fundidas, notamos que una misma parte se puede fabricar mediante ambos procesos. Comente las ventajas y desventajas de cada proceso, considerando factores como el tamaño de la parte y la complejidad de la forma, la flexibilidad del diseño, las propiedades mecánicas desarrolladas y el desempeño durante el servicio. En primer lugar, los productos fundidos se fabrican pasando completamente el material a un estado líquido y luego vertiéndolo en un molde para solidificar. En cambio, forjar es el proceso de conformar un metal (comúnmente en forma de lingote o de hoja) usando alta presión, ya sea golpeándolo con un martillo o presionándolo con un troquel. Ahora las ventajas de la fundición son: -

No hay verdadera límite de tamaño superior en la fundición de peso Larga gama de opciones de materiales Es menos costoso que forjar matrices Es mejor para producir piezas complejas

Y las ventajas de las partes forjadas: -

Forja ofrece uniformidad de composición y estructura Generalmente más resistentes que las alternativas Puede manejar mejor el impacto que las piezas fundidas La naturaleza de forja excluye la aparición de porosidad, contracción, cavidades y fría verter cuestiones.

14.40 Con base en los datos proporcionados en la tabla 14.3, obtenga el valor aproximado de la resistencia a la fluencia de estos materiales a temperaturas de forjado en caliente. Dibuje una gráfica de barras que muestre el diámetro máximo de una parte forjada en caliente producida en una prensa con capacidad de 60 toneladas en función del material.

14.42.- Revise la secuencia de operaciones en la producción de pernos escalonado que se muestra en la figura 14.13. Si no se efectúa el paso de recalcado cónico, ¿Cuáles serían las consecuencias en la parte final?

-

Deformaciones en la Pieza. No alcanzaría el diámetro adecuado. No llenaría apropiadamente la matriz por lo que no se formaría bien la pieza.

14.43 Efectúe operaciones de forja de desbaste simple en piezas de arcilla mediante una pieza plana de madera y realice observaciones sobre el ensanchamiento de las piezas en función de las secciones transversales originales de los especímenes de

arcilla (Por ejemplo, cuadrada o rectangular con diferentes relaciones de espesor anchura). Para este apartado, utilicé piezas de plastilina verde y azul para las pruebas de forja de desbaste y un mazo de madera con base plana para la operación. Con un calibrador medí los espesores y las anchuras de las piezas antes y después de la operación, como corresponde en las figuras A, B y C.

Figura A. Calibrador. [Autor]

Figura B. Piezas de plastilina. [Autor]

Figura C. Mazo de madera. [Autor]

Realizado el proceso de forja de desbaste, observamos que el espesor de las piezas disminuyó y la anchura de las piezas aumentó. Esto quiere decir que en el proceso de forja de desbaste la relación de espesor-anchura de las piezas sometidas son inversamente proporcionales.

Para el caso de la pieza de plastilina verde su espesor y anchura aproximados eran de 13 mm y 65 mm, respectivamente. Después de la operación, su espesor y anchura quedaron aproximados a 5 mm y 85 mm, respectivamente. Las figuras D y E lo representan.

Figura D. Cambio del espesor de la pieza después del proceso de forja de desbaste. Observamos que el espesor ha disminuido. [Autor]

Figura E. Cambio de la anchura de la pieza después de proceso de forja de desbaste. Observamos que la anchura ha aumentado. [Autor]

Para el caso de la pieza de plastilina azul su espesor y anchura aproximados eran de 13 mm y 68 mm, respectivamente. Después de la operación, su espesor y anchura quedaron aproximados a 8 mm y 79 mm, respectivamente. Las figuras F y G lo representan.

Figura F. Cambio del espesor de la pieza después del proceso de forja de desbaste. Observamos que el espesor ha disminuido. [Autor]

Figura G. Cambio de la anchura de la pieza después de proceso de forja de desbaste. Observamos que la anchura ha aumentado. [Autor]

14.44 Discuta sobre los posibles problemas ambientales relacionados con las operaciones descritas en este capítulo.

El sector metal se encuentra dentro de los sectores industriales con mayor impacto social y económico. Actualmente el sector metal está constituido por unas 137.000 empresas y supone, aproximadamente, un tercio de la producción industrial del país. El sector metal abarca actividades muy diversas:        

Producción y primera transformación de metales. Estructuras metálicas. Carpintería metálica. Calderería. Tratamiento y revestimiento de metales. Mecanizado. Forja, estampado, embutición y troquelado. Fabricación de productos metálicos, etc

Las empresas, incluidas las del sector metal, realizan actividades que inciden sobre el Medio Ambiente, la mayoría de los impactos son negativos provocando contaminación en el entorno. Esta contaminación se traduce en problemas ambientales tanto a nivel local como global. Impactos asociados a la contaminación atmosférica Los impactos asociados a la contaminación atmosférica pueden darse a nivel:  

GLOBAL: Lluvia ácida Efecto invernadero Destrucción de la capa de ozono LOCAL: Polución del aire del entorno.

Impactos asociados a la generación de residuos    

Afecciones al suelo por contacto directo de residuos contaminados. Afecciones a las aguas por lixiviación de sustancias peligrosas que puedan contener los residuos. Afecciones paisajísticas por la acumulación de residuos. Afecciones al entorno natural de la zona

Entonces los problemas ambientales más importantes respecto al medio ambiente son la generación de dos tipos de residuos, la chatarra (chips y viruta) y los residuos generados a partir de los usos de los fluidos de trabajo (lubricantes y enfriamiento), además de emisiones de calor, maquinaria vieja y ruido.