Una sección transversal de una biela forjada que se ha grabado para mostrar el flujo de grano

Hay muchos tipos diferentes de procesos de forja disponibles; sin embargo, se pueden agrupar en tres clases principales:

• Estirado: aumentos de longitud, disminuciones de sección transversal
• Perturbación: disminuciones de longitud, aumentos de sección transversal
• Exprimido en matrices de compresión cerradas: produce flujo multidireccional

Los procesos de forja comunes incluyen: rollo de forja, prensado, cogging, forjado libre, impresión de forjado(cerca de forjado), la prensa de forja, forja en frío automático caliente de la forja y molesto.

Temperaturaeditar

Todos los siguientes procesos de forja se pueden realizar a varias temperaturas; sin embargo, generalmente se clasifican según si la temperatura del metal está por encima o por debajo de la temperatura de recristalización. Si la temperatura está por encima de la temperatura de recristalización del material, se considera forja en caliente; si la temperatura está por debajo de la temperatura de recristalización del material, pero por encima del 30% de la temperatura de recristalización (en una escala absoluta), se considera forja en caliente; si está por debajo del 30% de la temperatura de recristalización (generalmente a temperatura ambiente), se considera forja en frío. La principal ventaja de la forja en caliente es que se puede hacer de forma más rápida y precisa, y a medida que el metal se deforma, los efectos de endurecimiento del trabajo se ven anulados por el proceso de recristalización. La forja en frío generalmente resulta en el endurecimiento de la pieza en el trabajo.

Caída de forgingEdit

Medios de reproducción

Producción de clavos para barcos en Hainan, China

La forja por caída es un proceso de forja en el que se eleva un martillo y luego se «suelta» sobre la pieza de trabajo para deformarla de acuerdo con la forma de la matriz. Hay dos tipos de forja por gota: forja por gota de matriz abierta y forja por gota de matriz de impresión (o matriz cerrada). Como los nombres implican, la diferencia está en la forma de la matriz, con la primera no encerrando completamente la pieza de trabajo, mientras que la segunda lo hace.

Abrir-die gota forgingEdit

Abrir-morir de forja (con dos muere) de un lingote a ser procesado en una rueda de

Un grande de 80 toneladas cilindro de acero caliente en un abrir mueren prensa de forja, listo para el perturbador de la fase de forja

Abra el forjado es también conocido como smith de la forja. En la forja a troquel abierto, un martillo golpea y deforma la pieza de trabajo, que se coloca en un yunque estacionario. La forja a troquel abierto recibe su nombre del hecho de que los troqueles (las superficies que están en contacto con la pieza de trabajo) no encierran la pieza de trabajo, lo que permite que fluya excepto donde entran en contacto con los troqueles. Por lo tanto, el operador debe orientar y posicionar la pieza de trabajo para obtener la forma deseada. Los troqueles son generalmente de forma plana, pero algunos tienen una superficie con forma especial para operaciones especializadas. Por ejemplo, una matriz puede tener una superficie redonda, cóncava o convexa o ser una herramienta para formar agujeros o una herramienta de corte.Las piezas forjadas de matriz abierta se pueden trabajar en formas que incluyen discos, cubos, bloques, ejes (incluidos ejes escalonados o con bridas), manguitos, cilindros, planos, hexagonales, redondos, placas y algunas formas personalizadas.La forja a troquel abierto se presta a tiradas cortas y es apropiada para la fundición de arte y el trabajo personalizado. En algunos casos, la forja a troquel abierto se puede emplear en lingotes de forma rugosa para prepararlos para operaciones posteriores. La forja a troquel abierto también puede orientar el grano para aumentar la resistencia en la dirección requerida.

Ventajas de la forja a troquel abierto

• Menor probabilidad de huecos
• Mejor resistencia a la fatiga
• Microestructura mejorada
• Flujo de grano continuo
• Tamaño de grano más fino
• Mayor resistencia
• Mejor respuesta al tratamiento térmico
• Mejora de la calidad interna
• Mayor fiabilidad de las propiedades mecánicas, ductilidad y resistencia al impacto

«Cogging» es la deformación sucesiva de una barra a lo largo de su longitud utilizando una forja de gota abierta. Se usa comúnmente para trabajar una pieza de materia prima con el grosor adecuado. Una vez que se logra el grosor adecuado, se logra el ancho adecuado a través de «bordes».El «ribete» es el proceso de concentración de material mediante un troquel abierto de forma cóncava. El proceso se llama «ribete» porque generalmente se lleva a cabo en los extremos de la pieza de trabajo. El «fullering» es un proceso similar que adelgaza las secciones de la forja utilizando un troquel de forma convexa. Estos procesos preparan las piezas para futuros procesos de forja.

• Bordes

• Fullering

Impresión de morir forgingEdit

Impresión de forjado es también llamado «cerrado de forjado». En la forja de matrices de impresión, el metal se coloca en una matriz que se asemeja a un molde, que se une a un yunque. Por lo general, la matriz de martillo también tiene forma. El martillo se deja caer sobre la pieza de trabajo, haciendo que el metal fluya y llene las cavidades de la matriz. El martillo generalmente está en contacto con la pieza de trabajo en la escala de milisegundos. Dependiendo del tamaño y la complejidad de la pieza, el martillo se puede soltar varias veces en rápida sucesión. El exceso de metal se extrae de las cavidades de la matriz, formando lo que se conoce como «flash». El destello se enfría más rápidamente que el resto del material; este metal frío es más fuerte que el metal en la matriz, por lo que ayuda a evitar que se forme más destello. Esto también obliga al metal a llenar completamente la cavidad de la matriz. Después de forjar, se retira el flash.

En la forja de troqueles de impresión comercial, la pieza de trabajo generalmente se mueve a través de una serie de cavidades en un troquel para pasar de un lingote a la forma final. La primera impresión se utiliza para distribuir el metal en la forma rugosa de acuerdo con las necesidades de cavidades posteriores; esta impresión se denomina impresión de «bordes», «relleno» o «doblado». Las siguientes cavidades se denominan cavidades de «bloqueo», en las que la pieza está trabajando para obtener una forma que se asemeja más al producto final. Estas etapas generalmente imparten la pieza de trabajo con curvas generosas y filetes grandes. La forma final se forja en una cavidad de impresión» final «o» acabadora». Si solo hay que hacer un corto recorrido de piezas, entonces puede ser más económico que la matriz carezca de una cavidad de impresión final y, en su lugar, mecanice las características finales.

La forja con troquel de impresión se ha mejorado en los últimos años a través de una mayor automatización que incluye calentamiento por inducción, alimentación mecánica, posicionamiento y manipulación, y el tratamiento térmico directo de las piezas después de la forja.Una variación de la forja con matriz de impresión se llama «forja sin flash», o «verdadera forja con matriz cerrada». En este tipo de forja, las cavidades de la matriz están completamente cerradas, lo que evita que la pieza de trabajo forme flash. La principal ventaja de este proceso es que el flash pierde menos metal. El flash puede representar del 20 al 45% del material de partida. Las desventajas de este proceso incluyen un costo adicional debido a un diseño de matriz más complejo y la necesidad de una mejor lubricación y colocación de la pieza de trabajo.

Hay otras variaciones de formación de piezas que integran la forja de troquel de impresión. Un método incorpora la fundición de una preforma de forja a partir de metal líquido. La fundición se retira después de que se ha solidificado, pero mientras aún está caliente. Luego se termina en un solo troquel de cavidad. El destello se recorta, luego la pieza se endurece. Otra variación sigue el mismo proceso descrito anteriormente, excepto que la preforma se produce mediante la deposición por pulverización de gotas de metal en colectores con forma (similar al proceso de águila pescadora).

La forja de troquel cerrado tiene un alto costo inicial debido a la creación de troqueles y el trabajo de diseño requerido para hacer cavidades de troqueles de trabajo. Sin embargo, tiene bajos costos recurrentes para cada pieza, por lo que las piezas forjadas se vuelven más económicas con un mayor volumen de producción. Esta es una de las principales razones por las que las piezas forjadas de matriz cerrada se utilizan a menudo en las industrias automotriz y de herramientas. Otra razón por la que las piezas forjadas son comunes en estos sectores industriales es que las piezas forjadas generalmente tienen una relación resistencia / peso un 20 por ciento más alta en comparación con las piezas fundidas o mecanizadas del mismo material.

Diseño de forjas de troquel de impresión y herramientas Edit

Los troqueles de forja generalmente están hechos de acero de alta aleación o para herramientas. Las matrices deben ser resistentes a los impactos y al desgaste, mantener la resistencia a altas temperaturas y tener la capacidad de soportar ciclos de calentamiento y enfriamiento rápidos. Para producir una matriz mejor y más económica, se mantienen los siguientes estándares:

• La pieza de la matriz a lo largo de un plano único y plano siempre que sea posible. Si no, el plano de separación sigue el contorno de la pieza.
• La superficie de separación es un plano que atraviesa el centro de la forja y no cerca de un borde superior o inferior.
• Se proporciona un calado adecuado; por lo general, al menos 3° para el aluminio y de 5° a 7° para el acero.
• Se utilizan filetes y radios generosos.
• Las costillas son bajas y anchas.
• Las diversas secciones están equilibradas para evitar diferencias extremas en el flujo de metal.
• Se aprovecha al máximo de las líneas de flujo de fibra.
• Las tolerancias dimensionales no están más cerca de lo necesario.

El barrido se produce cuando, debido a la fricción entre la pieza de trabajo y el troquel o punzón, la pieza de trabajo sobresale en su centro de tal manera que se asemeja a un barril. Esto lleva a que la parte central de la pieza de trabajo entre en contacto con los lados de la matriz más pronto que si no hubiera fricción presente, creando un aumento mucho mayor en la presión requerida para que el punzón termine la forja.

Las tolerancias dimensionales de una pieza de acero producida utilizando el método de forja de matriz de impresión se describen en la siguiente tabla. Las dimensiones en el plano de separación se ven afectadas por el cierre de las matrices y, por lo tanto, dependen del desgaste de la matriz y del grosor del destello final. Las dimensiones que están completamente contenidas dentro de un solo segmento de troquel o la mitad se pueden mantener con un nivel de precisión significativamente mayor.

se utiliza lubricante cuando se forja para reducir la fricción y el desgaste. También se utiliza como barrera térmica para restringir la transferencia de calor desde la pieza de trabajo a la matriz. Finalmente, el lubricante actúa como un compuesto de separación para evitar que la pieza se pegue en las matrices.

Forja a prensaeditar

La forja a presión funciona aplicando lentamente una presión o fuerza continua, que difiere del impacto casi instantáneo de la forja con martillo de caída. La cantidad de tiempo que las matrices están en contacto con la pieza de trabajo se mide en segundos (en comparación con los milisegundos de las forjas de martillo de caída). La operación de forja de prensa se puede hacer en frío o en caliente.

La principal ventaja de la forja a presión, en comparación con la forja con martillo, es su capacidad para deformar la pieza de trabajo completa. La forja con martillo de caída generalmente solo deforma las superficies de la pieza de trabajo en contacto con el martillo y el yunque; el interior de la pieza de trabajo permanecerá relativamente sin deformar. Otra ventaja del proceso es el conocimiento de la velocidad de deformación de la pieza nueva. Al controlar la velocidad de compresión de la operación de forja de la prensa, se puede controlar la tensión interna.

Hay algunas desventajas en este proceso, la mayoría derivadas de que la pieza de trabajo está en contacto con las matrices durante un período de tiempo tan prolongado. La operación es un proceso que consume mucho tiempo debido a la cantidad y la longitud de los pasos. La pieza de trabajo se enfriará más rápido porque las matrices están en contacto con la pieza de trabajo; las matrices facilitan drásticamente más transferencia de calor que la atmósfera circundante. A medida que la pieza de trabajo se enfría, se vuelve más fuerte y menos dúctil, lo que puede inducir el agrietamiento si la deformación continúa. Por lo tanto, las matrices calentadas se utilizan generalmente para reducir la pérdida de calor, promover el flujo de superficie y permitir la producción de detalles más finos y tolerancias más estrechas. La pieza de trabajo también puede necesitar ser recalentada.

Cuando se realiza en alta productividad, la forja a presión es más económica que la forja a martillo. La operación también crea tolerancias más estrechas. En la forja a martillo, gran parte del trabajo es absorbido por la maquinaria; cuando se forja a presión, el mayor porcentaje de trabajo se utiliza en la pieza de trabajo. Otra ventaja es que la operación se puede usar para crear piezas de cualquier tamaño porque no hay límite para el tamaño de la máquina de forja a presión. Las nuevas técnicas de forjado a presión han sido capaces de crear un mayor grado de integridad mecánica y de orientación. Debido a la restricción de oxidación en las capas externas de la pieza, se producen niveles reducidos de microcracking en la pieza terminada.

La forja a presión se puede utilizar para realizar todo tipo de forja, incluida la forja a troquel abierto y la forja a troquel de impresión. La forja a presión de matriz de impresión generalmente requiere menos calado que la forja por caída y tiene una mejor precisión dimensional. Además, las piezas forjadas a presión a menudo se pueden hacer en un solo cierre de las matrices, lo que permite una fácil automatización.

forgingEdit molesto

La forja alterada aumenta el diámetro de la pieza de trabajo comprimiendo su longitud. Basado en el número de piezas producidas, este es el proceso de forja más utilizado. Algunos ejemplos de piezas comunes producidas utilizando el proceso de forja alterada son válvulas de motor, acoplamientos, pernos, tornillos y otros sujetadores.

La forja alterada se realiza generalmente en máquinas especiales de alta velocidad llamadas prensas de manivela. Las máquinas generalmente se configuran para trabajar en el plano horizontal, para facilitar el intercambio rápido de piezas de trabajo de una estación a la siguiente, pero también se puede alterar en una prensa de manivela vertical o una prensa hidráulica. La pieza de trabajo inicial suele ser de alambre o varilla, pero algunas máquinas pueden aceptar barras de hasta 25 cm (9,8 pulgadas) de diámetro y una capacidad de más de 1000 toneladas. La máquina de perturbación estándar emplea matrices divididas que contienen múltiples cavidades. Las matrices se abren lo suficiente para permitir que la pieza de trabajo se mueva de una cavidad a la siguiente; los troqueles luego se cierran y la herramienta de encabezado, o carnero, se mueve longitudinalmente contra la barra, perturbándola en la cavidad. Si se utilizan todas las cavidades en cada ciclo, se producirá una pieza terminada con cada ciclo, lo que hace que este proceso sea ventajoso para la producción en masa.

Estas reglas deben seguirse al diseñar piezas para ser forjadas:

• La longitud del metal sin soporte que se puede romper de un golpe sin pandeo dañino debe limitarse a tres veces el diámetro de la barra.
• Las longitudes de culata superiores a tres veces el diámetro pueden alterarse con éxito, siempre que el diámetro de la culata no sea superior a 1,5 veces el diámetro de la culata.
• En una alteración que requiera una longitud de culata superior a tres veces el diámetro de la culata, y cuando el diámetro de la cavidad no sea superior a 1,5 veces el diámetro de la culata, la longitud del metal sin soporte más allá de la cara de la matriz no debe exceder el diámetro de la barra.

Forja en caliente automáticaeditar

El proceso automático de forja en caliente implica la alimentación de barras de acero de longitud de molino (normalmente 7 m (23 pies) de largo) en un extremo de la máquina a temperatura ambiente y los productos forjados en caliente emergen del otro extremo. Todo esto ocurre rápidamente; las piezas pequeñas se pueden fabricar a una velocidad de 180 partes por minuto (ppm) y las más grandes se pueden fabricar a una velocidad de 90 ppm. Las piezas pueden ser sólidas o huecas, redondas o simétricas, de hasta 6 kg (13 lb) y hasta 18 cm (7,1 pulg.) de diámetro. Las principales ventajas de este proceso son su alta tasa de producción y su capacidad para aceptar materiales de bajo costo. Se requiere poca mano de obra para operar la maquinaria.

No se produce flash, por lo que el ahorro de material está entre el 20 y el 30% sobre la forja convencional. El producto final es consistente a 1,050 ° C (1,920 ° F), por lo que la refrigeración por aire resultará en una pieza que aún se puede mecanizar fácilmente (la ventaja es la falta de recocido requerido después de la forja). Las tolerancias suelen ser de ±0,3 mm (0,012 pulg.), las superficies están limpias y los ángulos de tiro son de 0,5 a 1°. La vida útil de la herramienta es casi el doble que la de la forja convencional porque los tiempos de contacto son del orden de 0,06 segundos. La desventaja es que este proceso solo es factible en piezas simétricas y costos más pequeños; la inversión inicial puede superar los 10 millones de dólares, por lo que se requieren grandes cantidades para justificar este proceso.

El proceso comienza calentando la barra a 1.200 a 1.300 °C (2.190 a 2.370 °F) en menos de 60 segundos utilizando bobinas de inducción de alta potencia. Luego se descalza con rodillos, se corta en espacios en blanco y se transfiere a través de varias etapas de conformado sucesivas, durante las cuales se rompe, se preforma, se forja final y se perfora (si es necesario). Este proceso también se puede combinar con operaciones de conformado en frío de alta velocidad. En general, la operación de conformado en frío realizará la etapa de acabado para que se puedan obtener las ventajas del trabajo en frío, manteniendo la alta velocidad de forjado en caliente automático.

Ejemplos de piezas hechas por este proceso son: rodamientos de la unidad de cubo de rueda, engranajes de transmisión, carreras de rodamientos de rodillos cónicos, bridas de acoplamiento de acero inoxidable y anillos de cuello para cilindros de gas LP. Los engranajes de transmisión manual son un ejemplo de forjado en caliente automático que se utiliza junto con el trabajo en frío.

Forja en rollo

La forja en rollo es un proceso en el que el material de barra redonda o plana se reduce en grosor y aumenta en longitud. La forja de rollos se realiza utilizando dos rollos cilíndricos o semicilíndricos, cada uno con una o más ranuras en forma. Se inserta una barra calentada en los rodillos y cuando llega a un punto, los rodillos giran y la barra se forma progresivamente a medida que se enrolla a través de la máquina. A continuación, la pieza se transfiere al siguiente juego de ranuras o se da la vuelta y se reinsertan en las mismas ranuras. Esto continúa hasta que se logra la forma y el tamaño deseados. La ventaja de este proceso es que no hay flash e imparte una estructura de grano favorable en la pieza de trabajo.

Ejemplos de productos producidos utilizando este método incluyen ejes, palancas cónicas y resortes de hojas.

Forja con forma de red y forma de casi rededitar

Este proceso también se conoce como forja de precisión. Fue desarrollado para minimizar el costo y los desechos asociados con las operaciones posteriores a la forja. Por lo tanto, el producto final de una forja de precisión necesita poco o ningún mecanizado final. El ahorro de costes se obtiene mediante el uso de menos material y, por lo tanto, menos chatarra, la disminución general de la energía utilizada y la reducción o eliminación del mecanizado. La forja de precisión también requiere menos calado, de 1° a 0°. La desventaja de este proceso es su costo, por lo tanto, solo se implementa si se puede lograr una reducción significativa de costos.

Forja en fríaeditar

La forja de forma cercana a la red es más común cuando las piezas se forjan sin calentar la babosa, la barra o el tocho. El aluminio es un material común que puede forjarse en frío dependiendo de la forma final. La lubricación de las piezas que se están formando es fundamental para aumentar la vida útil de las matrices de acoplamiento.

Forja por induccióneditar

A diferencia de los procesos anteriores, la forja por inducción se basa en el tipo de estilo de calentamiento utilizado. Muchos de los procesos anteriores se pueden utilizar junto con este método de calentamiento.

Forja multidireccionaleditar

Forja multidireccional es la formación de una pieza de trabajo en un solo paso en varias direcciones. El conformado multidireccional se realiza a través de medidas constructivas de la herramienta. El movimiento vertical del ariete de la prensa se redirige mediante cuñas que distribuyen y redireccionan la fuerza de la prensa de forja en direcciones horizontales.

Forja isotérmicaeditar

La forja isotérmica es un proceso mediante el cual los materiales y la matriz se calientan a la misma temperatura (iso, que significa «igual»). El calentamiento adiabático se utiliza para ayudar en la deformación del material, lo que significa que las velocidades de deformación son altamente controladas. De uso general para forjar aluminio, que tiene una temperatura de forja más baja que los aceros. Las temperaturas de forja para aluminio son de alrededor de 430 ° C (806 °F), mientras que los aceros y súper aleaciones pueden ser de 930 a 1,260 °C (1,710 a 2,300 °F).

Beneficios:

• Formas cercanas a la red que conducen a menores requisitos de mecanizado y, por lo tanto, menores tasas de chatarra
• Reproducibilidad de la pieza
• Debido a la menor pérdida de calor, se pueden usar máquinas más pequeñas para hacer la forja

Desventajas:

• Mayores costos de material de matriz para manejar temperaturas y presiones
• Se requieren sistemas de calentamiento uniformes
• Atmósferas protectoras o vacío para reducir la oxidación de las matrices y el material
• Bajas tasas de producción