Forja: Significado, Aplicaciones y Procesos.
Después de leer este artículo, aprenderá acerca de: - 1. Introducción a la forja 2. Capacidad de forja 3. Materiales perdonables 4. Temperatura 5. Procesos 6. Lubricación 7. Defectos en productos forjados 8. Ventajas 9. Desventajas 10. Aplicaciones.
Introducción a la forja:
La forja es un proceso de conformación de metales. Implica el calentamiento del metal al estado plástico y luego aplica la presión con un martillo manual o un martillo eléctrico para obtener una forma predeterminada del producto. El término forjado también se usa para definir la deformación plástica de los metales a la temperatura de forjado en la forma requerida usando fuerzas de compresión que se ejercen a través de troqueles por medio de un martillo, una prensa o una máquina de molestar.
Al igual que en otros procesos de formación de metales, la forja refina la microestructura del metal, elimina los defectos ocultos, como las grietas del cabello y los huecos. Este proceso reorganiza la macro estructura fibrosa para conformar el flujo de metal. Debido a estas ventajas y ventajas sobre la fundición y el mecanizado, la forja es muy popular en el proceso de conformado de metales.
Mediante el diseño exitoso de las matrices, se puede emplear el flujo de metal para promover la alineación de las fibras con la dirección anticipada de la tensión máxima. La Fig. 5.1 muestra los dos cigüeñales y ganchos de grúa diferentes producidos por mecanizado a partir de una barra y forjado.
Como se puede ver, la dirección de las fibras en la parte de forja es más favorable, porque las tensiones en las bandas se conceden con la dirección de las fibras donde la resistencia es máxima.
Habilidad de forjar:
El término capacidad de fragua se define como la capacidad de un material para sufrir deformación sin fallas ni roturas. Para el adecuado proceso de forjado, es importante conocer el comportamiento de deformación del metal a forjar con respecto a la resistencia a la deformación y cualquier efecto adverso anticipado, como el agrietamiento, etc.
Depende de los siguientes factores:
(i) Composición del material.
(ii) Pureza del material.
(iii) Tamaño del grano.
(iv) Temperatura de trabajo.
(v) Tasa de deformación y distribución de deformación.
(vi) Número de fases presentes.
La capacidad de fragua aumenta al aumentar la temperatura de trabajo hasta un punto en el que la fase cambia. Los metales puros tienen buena capacidad de fragua.
El material de grano fino tiene mejor capacidad de fraguado que el material de grano grueso.
Aunque no existe una prueba estándar comúnmente aceptada para la capacidad de forjar, sin embargo, algunas de las siguientes pruebas se realizan en metales para la asignación cuantitativa de la capacidad de forjar:
(i) Prueba de trastorno:
El límite máximo de capacidad de alteración sin agrietamiento o falla se toma como una medida del índice de capacidad de forja. Esta prueba implica alterar una serie de palanquillas cilíndricas que tienen las mismas dimensiones en diferentes grados de deformación.
(ii) Prueba de alteración de la barra con muescas:
Esta prueba es similar a la prueba anterior, excepto que se hacen muescas o estrías longitudinales antes de alterar. Esta prueba proporciona un índice más confiable de habilidad de forja.
(iii) Ensayo de tracción de impacto caliente:
En esta prueba, la resistencia a la tracción por impacto se toma como una medida del índice de capacidad de forja. Para esta prueba se usa una máquina de prueba de impacto equipada con un accesorio de prueba de tensión.
(iv) Prueba de giro caliente:
La prueba consiste en torcer una barra caliente, redonda y contar el número de giros hasta el fallo. Cuanto mayor sea el número de giros, mejor será la habilidad de forjar.
Materiales Forjables:
Cualquier metal o aleación que pueda llevarse al estado plástico a través del calentamiento, sin fallas, puede ser forjada. La capacidad de fraguado de cualquier metal se ve afectada por varios factores, como la composición del metal o la aleación, las impurezas presentes, el tamaño del grano y el número de fases presentes.
El aumento de la temperatura también mejora la capacidad de fraguado, pero hasta cierto límite, donde comienza a aparecer otra fase o donde los crecimientos de grano se vuelven excesivos. En este punto, cualquier aumento adicional en la temperatura disminuirá la capacidad de forjar.
A continuación se enumeran algunos metales y aleaciones en orden descendente de la capacidad de forjar (es decir, la aleación con una mejor capacidad de forjado escrita primero):
1. Aleaciones de aluminio.
2. Aleaciones de magnesio.
3. Aleaciones de cobre.
4. Aceros al carbono.
5. Aceros de baja aleación.
6. Aceros inoxidables martensíticos.
7. Aceros inoxidables austeníticos.
8. Aleaciones de níquel.
9. Aleaciones de titanio.
10. Aleaciones de molibdeno,
11, aleaciones de tungsteno.
La elección de un material de forja depende de las propiedades mecánicas deseables de esa pieza como: durabilidad, maleabilidad, resistencia a la maquinabilidad, etc.
Temperaturas de forja:
Existen variedades de materiales que pueden ser trabajados por forja. Cada metal o aleación tiene su propio rango de temperatura de forja de plástico. Algunos de ellos tienen un amplio rango de temperaturas, mientras que otros tienen rangos estrechos. El rango de temperatura depende de los constituyentes y la composición química.
Generalmente, la temperatura de forjado para metales no ferrosos y aleaciones es mucho más baja que la requerida para materiales ferrosos. Los rangos de temperatura para las aleaciones de uso común se dan en la tabla 5.1. Estos incluyen aceros bajos en carbono, aluminio, magnesio y aleaciones de cobre, así como muchos de los aceros de aleación y los aceros inoxidables.
En el caso de forjado a mano o troquelado abierto, la temperatura del forjado se juzga por el color del metal caliente. Mientras que en el caso de forjado a troquel cerrado o forjado de producción en masa, la temperatura de forjado está determinada por los termopares y los pirómetros ópticos.
Procesos de forja:
Todos los procesos de forjado se clasifican en dos tipos principales, según el método utilizado:
(i) Forja en matriz abierta (forja en herrería o forja en matriz plana).
(ii) Forja de matriz cerrada.
(i) Forja a troquel abierto:
En la forja a troquel abierto, el metal se trabaja entre dos matrices planas. Se realiza de forma manual por black-smith y, por lo tanto, también se denomina forja de smith. Esto puede hacerse a mano o por poder. En esta forja, el metal se calienta a la temperatura del estado plástico, se coloca sobre un yunque y se martilla repetidamente hasta obtener la forma deseada.
Hoy en día, la forja de herrero negro se usa solo para dar forma a un pequeño número de piezas forjadas de luz, este proceso se usa principalmente en los talleres de reparación. Las formas complicadas con tolerancia estrecha no pueden producirse económicamente mediante este proceso.
La versión moderna por herrería negra, forja a troquel abierto, involucra el martillo accionado por potencia o la prensa en lugar del martillo manual y el yunque del herrero.
Las características de la forja a troquel abierto son:
(a) La forja a troquel abierto se utiliza para producir piezas forjadas pesadas que pesan hasta 300 toneladas.
(b) Este proceso también se utiliza para producir pequeños lotes de piezas forjadas medianas con formas irregulares que no pueden producirse mediante el moderno proceso de forja a troquel cerrado.
(c) La habilidad del operador juega un papel importante en la producción de la forma deseada de la pieza mediante el calentamiento y los golpes de trabajo sucesivos.
(d) La forma producida es solo una aproximación de la pieza requerida, y la operación de maquinado posterior siempre se requiere para producir la pieza precisa de acuerdo con la impresión azul provista por el diseñador.
(ii) Forja a troquel cerrado:
En la forja de matriz cerrada, el metal se trabaja en una impresión cerrada de un conjunto de matriz. El metal se calienta a la temperatura del estado plástico, se coloca en un troquel hueco de dos partes y luego se presiona. La forja a troquel cerrado incluye, forja por desprendimiento, forja en prensa y máquina o forja en mal estado.
Bajo impacto (o compresión), el metal caliente fluye plásticamente para llenar la cavidad del troquel. El flujo de metal está restringido por la forma de la cavidad del troquel. El ciclo de fabricación de una pieza forjada a troquel incluye alguna otra operación relacionada, como el corte de las balas, el calentamiento de las balas, la forja de las balas, el recorte del flash, el tratamiento térmico de las piezas forjadas, la descalcificación y, finalmente, la inspección y el control de calidad. Esto se muestra en la Fig. 5.2.
Ventajas de la forja a troquel abierto:
(1) Este proceso se utiliza para producir piezas forjadas pesadas que pesan hasta 300 toneladas,
(2) El proceso es adecuado para producir pequeños lotes de piezas forjadas medianas con formas irregulares que no pueden producirse mediante el moderno proceso de forja a troquel cerrado.
(3) El proceso involucra herramientas y equipos menos costosos.
(4) El proceso no requiere ninguna fuente de alimentación adicional, a diferencia de la prensa o la forja de máquinas.
(5) El proceso no necesita hacer troqueles cerrados costosos.
(6) El proceso se puede hacer en cualquier lugar en el lugar requerido.
Ventajas de la forja a troquel cerrado:
(1) Mayor consistencia de los atributos del producto que en la forja o fundición a troquel abierto.
(2) Mayor resistencia al peso unitario más bajo en comparación con piezas de fundición o piezas fabricadas.
(3) Las formas complicadas que tienen tolerancias dimensionales cercanas se pueden producir fácilmente.
(4) Buen acabado de la superficie con el excedente mínimo de material que se eliminará mediante el mecanizado.
(5) El costo de las piezas producidas por la forja a troquel cerrado es generalmente dos o tres veces menor que el costo de las piezas producidas por el mecanizado.
Sin embargo, el alto costo de las matrices de forja es la principal limitación de este proceso, especialmente si se van a producir formas intrincadas.
Por lo tanto, el proceso solo es adecuado para la producción en masa de acero y componentes no ferrosos que pesan hasta 350 kg.
Lubricación en el proceso de forja:
La lubricación juega un papel importante en el proceso de formación y no se puede descuidar.
Las funciones de lubricación son:
(i) Eliminar la fricción entre las interfaces del troquel de trabajo.
(ii) Asegurar el fácil flujo de mete.
(iii) Evita que el metal caliente se adhiera a la matriz.
(iv) Evita que las capas superficiales del metal caliente se enfríen con la matriz relativamente fría, etc.
La siguiente tabla 5.2 da algunos lubricantes comúnmente usados en el proceso de forja:
Materiales de matriz de forja:
Las matrices de forjado están sujetas a condiciones severas como altas temperaturas, presiones extremadamente altas y abrasión. Por lo tanto, un material de matriz debe tener una dureza adecuada a temperaturas más altas, así como una alta dureza para soportar las condiciones severas.
Para el material de matriz se utilizan aceros especiales para herramientas. Se alean con los siguientes aditivos de aleación: cromo, níquel, molibdeno y vanadio. Primero, los bloques de troquel se recocen, luego se maquinan para hacer los vástagos. En segundo lugar, endurecido y templado a los vástagos. Finalmente, las cavidades de impresión son desechadas por los fabricantes de herramientas.
Defectos en productos forjados:
Se pueden observar defectos en la forja. Pueden ser de defectos superficiales o defectos corporales. El tipo de defecto depende del número de factores tales como el proceso de forjado, el metal forjado, la temperatura del proceso, el diseño de la herramienta, el diseño de la matriz, etc.
A continuación se presenta una breve descripción de los defectos generalmente observados:
1. agrietamiento:
El defecto de agrietamiento se encuentra generalmente en las esquinas y en ángulos rectos. Las posibles causas son una distribución de temperatura no uniforme, un alto grado de deformación del necesario, tensiones de tracción durante el proceso de forjado, etc.
2. Pliegues:
El defecto de plegamiento se observa comúnmente en las operaciones de alteración y rumbo. Los pliegues también se pueden observar en los bordes de las piezas producidas por forja de herreros. Las posibles causas son: la reducción por pasada es demasiado pequeña, la deformación del metal, el diseño defectuoso de la forja, etc.
3. Secciones inadecuadas:
Las secciones incorrectas incluyen zonas de metal muerto, tuberías y flujo de metal irregular o violento. Básicamente se deben a la mala herramienta y al diseño del troquel.
4. Secciones sin completar:
Las secciones sin rellenar en la forja pueden ser causadas por el metal que no llena la cavidad del troquel correctamente. Las posibles causas son: cantidad inadecuada de metal, colocación incorrecta del metal en el troquel, baja temperatura de calentamiento, diseño de forja deficiente y diseño de herramientas de piscina o troquel.
5. Forjas mal emparejadas:
El desajuste de las piezas forjadas se observa cuando las partes superior e inferior de la matriz no están alineadas durante el golpe.
6. Aletas y rabias:
Las aletas y los trapos son pequeñas proyecciones de metal suelto en la superficie de forja. Las posibles causas son: mano de obra inadecuada, diseño deficiente del troquel, etc.
7. Metal sobrecalentado y quemado:
A veces, el metal se sobrecalienta debido a esto; El metal pierde su fuerza. Las posibles causas son: temperatura más alta que la requerida, la parte calentada por un tiempo demasiado largo, calentamiento inadecuado y no uniforme.
8. Fosas de escamas:
Los hoyos de la escala son depresiones superficiales poco profundas. Estos son causados por la escala que no se retiró de la superficie de la tolva o del trabajo antes de forjar. La limpieza frecuente de las matrices y la temperatura adecuada de forjado pueden evitar este defecto.
9. Líneas de flujo de fibra rotas:
Esto se debe al rápido flujo del metal.
Razones de los defectos de forja:
Los defectos de forja se deben a una o más de las siguientes razones:
1. Mala calidad de los lingotes y losas utilizados para producir los componentes forjados.
2. Pobre resistencia mecánica de los lingotes.
3. Pobre herramienta y diseño de troquel.
4. Composición incorrecta del material que se está forjando.
5. Calentamiento inadecuado y enfriamiento de piezas forjadas.
6. En operaciones precisas de forja.
7. La alineación no coincide con las partes inferiores y superiores del troquel.
8. Escalado de troqueles y lingotes utilizados, etc.
Ventajas de la forja:
Las siguientes son las ventajas del proceso de forja:
1. Estructura refinada del grano.
2. Mejor resistencia de las piezas.
3. Grado razonable de exactitud.
4. Las forjas pueden ser fácilmente soldadas.
5. Logro del acabado superficial liso.
6. No requiere mecanizado o es despreciable.
7. El ahorro de material como desperdicio es menor.
8. Tasa de producción más rápida.
9. Mejor adecuado para la producción en masa.
10. Reducido peso muerto de las piezas forjadas.
Desventajas de la forja:
Las desventajas del proceso de forja son:
1. Alto coste de las herramientas.
2. Costoso mantenimiento de herramientas.
3. Tratamiento térmico requerido después de forjar en algunos casos.
4. Limitación en forma y tamaño.
5. El diseño inadecuado de la forja puede producir defectos de forja tales como grietas, dobleces, etc.
6. Tolerancias cerradas difíciles de mantener.
Aplicaciones de Forja:
Las piezas forjadas se pueden clasificar en las siguientes tres categorías:
1. Pequeñas forjas:
Las piezas forjadas pequeñas incluyen tuercas y pernos, destornilladores, anillos, etc. En esta categoría se utilizan cinceles y herramientas de corte pequeñas. Pequeñas piezas forjadas se forjan a partir de acciones de bar
2. Forjas medianas:
Las piezas forjadas medianas incluyen bielas, cigüeñales pequeños, palancas, ganchos, ejes de vagones de ferrocarril, acoplamientos de bridas, etc. Las piezas forjadas medianas se forjan a partir de barras y losas.
3. Forjas más pesadas:
Las piezas forjadas más pesadas incluyen grandes ejes de generadores de centrales eléctricas, turbinas y barcos, así como columnas de prensas y rodillos para laminadores. Las partes más pesadas se trabajan a partir de lingotes.
