Procesos y equipos para el forjado de metales PDF

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Tema 5 resumen para examen final...

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5. Procesos y equipos para el forjado de metales 5.1 Introducción El forjado es un proceso de trabajo que se conforma aplicándole fuerzas de compresión a través de diversos dados y herramientas hasta que adquiere la forma deseada. Generalmente se desarrolla en caliente (aceros debido a su elevada resistencia), aunque también puede realizarse en frío. Es utilizado en procesos artesanales e industriales y la deformación se realiza por impacto (martillo) o de forma gradual (prensa). Se deben de tener en cuenta el flujo del metal, la orientación del grano…

5.2 Forjado en dado (matriz) abierto • Es la operación de forja más simple. • Aunque la mayoría de las piezas forjadas en dado abierto suelen pesar entre 15 y 500 kg. Tienen un tamaño desde alfileres hasta ejes de 23 m de longitud • Las superficies del dado pueden tener cavidades poco profundas o características que producen formas relativamente simples.

1. Con matriz plana El forjado en dado abierto puede describirse como una pieza metálica colocada entre dos dados planos cuya altura se reduce por compresión, este proceso se denomina recalcado o forjado con dado plano. Cuando existen fuerzas de fricción que se oponen al flujo hacia el exterior de la pieza de trabajo aparece el fenómeno de abarrilamiento, ya que se crean tensiones radiales en otros ejes. Para evitarlo:

- Se añade un lubricante para evitar dicha fricción y que así el material fluya dentro de la matriz. - Se emplean matrices calientes de forma que no solidifique la parte superior, para así obtener un material homogéneo en toda la pieza.

2. De desbaste a martillo o de reducción La forja de desbaste a martillo es una operación en la que el grosor de una barra se reduce mediante pasos sucesivos de forjado a intervalos específicos. En este proceso, se reduce el área de contacto de forma que las tensiones y fuerzas a realizar van a disminuir.

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La fuerza de forjado, F, necesaria en una operación de forjado en dado abierto sobre una pieza de trabajo cilíndrica puede estimarse a través de la siguiente fórmula, donde: - Yf es el esfuerzo de flujo del material. - 𝝻, es el coeficiente de fricción entre la pieza de trabajo y el dado.

- R y h son el radio y la altura de la pieza. !

La presión en el dado será la siguiente: Para recalcar un cilindro con radio exterior ro y altura h, y coeficiente de fricción 𝝻, la presión del dado en cualquier radio es la siguiente. Es decir, la colina de rozamiento es la distribución de la presión, o variación de tensiones, del dado en el recalcado con fricción por deslizamiento. En el medio por consiguiente habrá más tensión porque el área de contacto es menor.

5.3 Forjado con dado impresor y en dado cerrado 1. Forjado con dado impresor

- Proceso: Se parte de la pieza en bruto o tocho. Recalcado. Bloqueo. Acabado. Troquelado de la rebaba.

- Características: • Altas temperaturas, consecuentemente, mayor ductilidad y menores fuerzas de forjado. • Aparece una rebaba, material que fluye al exterior. • Se tiene en cuenta la colina de rozamiento. La fuerza de forjado vendrá determinada por la siguiente expresión, cuyos valores de Yf y K vienen determinados por tablas !

2. Forjado en dado cerrado • Estricto control del volumen de la pieza, alto control del diseño de punzones y matrices. • Alta tolerancia y calidad de las piezas. • Falta de material implica un llenado incompleto. • Exceso de material implica daños en las matrices y tensiones excesivas

3. Forjado de precisión • Utilizado para reducir el número de operaciones de acabado adicionales (coste) y formado de forma neta. Utilizado en ! engranajes, bielas, y álabes para turbinas. • Este proceso requiere: Matrices especiales y complejas.Control preciso del volumen y la forma de la pieza en bruto. Posicionamiento exacto de dicha pieza en la matriz.

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• Mayor fuerza de aplicación para la obtención de detalles finos, con lo que se utilizan prensas de mayor capacidad. • Aleaciones de aluminio y magnesio, por tanto, cargas y temperaturas relativamente bajas. • También se utiliza acero y titanio.

4. Práctica del forjado y calidad del producto 1. Preparación de la pieza →cizallado (recorte), aserrado o tronzado y limpieza de las superficies 2. Forjado en caliente →calentar la pieza de trabajo y eliminar la cascarilla . Precalentar y lubricar las matrices 3. Forjado en frío →lubricar la matriz 4. Forjar el tocho en las matrices apropiadas y en la secuencia adecuada. Eliminar cualquier exceso de material (como las rebabas) por medio de recortado, mecanizado o esmerilado. 5. Limpiar la forja, verificar sus dimensiones y (de ser necesario) mecanizarla hasta obtener las dimensiones finales y las tolerancias especificadas. 6. Efectuar operaciones adicionales, como enderezado y tratamiento térmico. Además, realizar las operaciones de acabado que sean necesarias 7. Inspeccionar la forja→defecto externo e interno.

5.4 Operaciones de forjado 1. Acuñado Proceso de forja de alta precisión para impresión de detalles. Se realiza una presión de entre 5 o 6 veces la resistencia del material, sin utilizar lubricantes. Se utiliza para marcar números o letras. Normalmente se realiza un calibrado para mejorar el acabado superficial.

2. Cabeceado o forja por recalcado Se realiza en el extremo de barras o alambrones para aumentar la sección transversal. También en clavos, cabezas de pernos, tornillos y remaches. Se puede realizar en frío, tibio o caliente. Habrá que tener cuidado con el pandeo.

3. Penetrado Proceso que consiste en la indentación sin atravesar la superficie para así formar cavidades. La fuerza del penetrado dependerá de:

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•

Área de sección transversal.

•

Resistencia de la pieza de trabajo.

•

Fricción.

5.5 Forjabilidad de los metales. Defectos del forjado Forjabilidad: Es la capacidad de un material para someterse a deformación sin agrietarse. Se realiza mediante ensayos: •

Recalcado: en probeta cilíndrica o entre matices planas. A mayor deformación antes del agrietamiento, mayor forjabilidad.

•

Torsión en caliente: Se utiliza una probeta cilíndrica a diferentes temperaturas y depende del número de vueltas. ! Temperatura de forjado máxima cantidad de vueltas.

Las temperaturas de forjado medias son entre 200-300oC para el aluminio y de 550-750oC para los aceros. Defectos:

• Agrietamiento de la superficie durante el forjado. • Defectos referentes al flujo: Si es inferior, el alma se tuerce y genera pliegues. Si es superior, el espesor del alma es excesivo y se generan grietas. También pueden aparecer una serie de defectos internos como son: • Deformado no uniforme del material en la cavidad de la matriz. • Gradientes de temperatura a lo largo de la pieza de trabajo durante el forjado. • Cambios microestructurales a causa de las trasformaciones de las fases. Los defectos de forjado pueden causar fallos por fatiga y otros problemas como la corrosión y el desgaste durante la vida útil del componente forjado.

5.6 Diseño de matrices, materiales para matrices y lubricación - Factores a tener en cuenta a la hora de diseñar las matrices y sus materiales: •

Geometría y complejidad de la pieza de trabajo, su ductilidad, resistencia y sensibilidad a la velocidad de deformación y temperatura además de fricción.

•

La temperatura en el proceso, la fricción…

•

Tener en cuenta el utillaje: las deformaciones, el desgaste y sus tolerancias.

•

Formas intermedias de la pieza de trabajo para el llenado de cavidades de la matriz.

- Requisitos para preformar una pieza de trabajo y que el material no debe fluya fácilmente hacia el área de la rebaba: •

El patrón de flujo del grano debe ser favorable para la resistencia y la confiabilidad de los productos.

•

El deslizamiento de la interfase del dado con la pieza debe minimizarse para reducir así el desgaste.

•

Muy útiles las técnicas de simulación

- Características del diseño de las matrices: • La línea de partición se encuentra en la sección transversal más grande. Para las formas simétricas simples la línea se encuentra en el centro de la forja. Para formas complejas se encuentra en varios planos.

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• Las matrices se diseñan de manera que se cierren durante el acoplamiento y mantener la alineación de la matriz durante el forjado. • Diseño: Asegurar contacto pieza utillaje, asegurar alineación de las matrices (Acoplamiento) y reducir fuerzas laterales • El material de la rebaba debe fluir a un canal de modo que la rebaba adicional no aumente innecesariamente la carga de forjado. La holgura de la rebaba entre las matrices debe ser del 3% del espesor máximo de la forja. • Los ángulos de salida internos son de 7º-10º y externos de 3º-5º • La selección de los radios de acuerdos para esquinas y filetes es importante a fin de garantizar un flujo suave del metal en la cavidad de la matriz y mejorar la vida de la última. • Se proporcionan tolerancias cuando es necesario para impartir las dimensiones finales deseadas y el acabado superficial por maquinado.

- Materiales para las matrices: • Resistencia y tenacidad, especialmente a temperaturas elevadas. • Templabilidad y capacidad para endurecerse uniformemente. • Resistencia al impacto mecánico y al choque térmico. • Resistencia al desgaste debido a la presencia de cascarilla en del forjado en caliente. • Los materiales más comúnmente utilizados son los aceros para herramientas y matrices que contienen cromo, níquel, molibdeno y vanadio. (Tienden a ser materiales caros) - Lubricación: Los lubricantes influyen en gran medida en la fricción y el desgaste, el uso del lubricante también nos va a permitir que los ciclos sean menores. De esta manera garantizamos que la resistencia de la matriz a la fatiga térmica va a ser mejor, menos probabilidad que que tenga grietas. Los lubricantes también pueden actuar como una barrera térmica entre la pieza de trabajo caliente y los dados fríos lo cual ralentiza la velocidad de enfriamiento. También actúa como agente de separación, evitando que la pieza forjada se pegue a los dados y ayudando a liberarla de estos.

5.7 Métodos de fabricación de matrices Las matrices tienen un alto impacto económico en el proceso debido a su elevado coste, a su alto tiempo de producción y a lo que cuesta su mantenimiento. La matriz se obtienen desde un bloque inicial por forja o fundición. El proceso de producción de la cavidad de una matriz en un bloque de material se conoce como estampado de matrices (darle la forma deseada). El proceso de punzonado de cavidades para hacer matrices pequeñas con cavidades poco profundas. Los procesos de mecanizado de las mismas son: Fundición, forjado, mecanizado, rectificado, electroerosión y láser para matrices pequeñas. El perfil de su superficie y el acabado se mejoran más por medio de rectificado y pulido de acabado. Será necesario un tratamiento térmico para obtener una mayor dureza y resistencia al desgaste. Sin embargo, también se suelen dar fallas en la matriz que vienen principalmente por: • Diseño incorrecto del dado. • Selección inadecuada del material del dado. • Operaciones de manufactura, tratamiento térmico y acabado inadecuados.

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• Sobrecalentamiento y agrietamiento por calor. • Desgaste excesivo del dado. • Sobrecarga. • Alineación incorrecta de los componentes o segmentos del dado. • Mal uso o manejo inapropiado.

5.8 Máquinas para forjado Existen diversos tipos de máquinas de forjado disponibles y con una amplia gama de capacidades, velocidades y características de rapidez de carrera: •

Prensas mecánicas: Emplean un mecanismo para transformar el movimiento circular en lineal y son básicamente de tipo manivela o excéntrica. La velocidad varía desde un máximo en el centro del recorrido hasta cero en la parte inferior, por lo que son de recorrido limitado. La energía se genera con un gran volantín accionado por un motor eléctrico (2,7-107 MN). Altas tasas de producción

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Prensas de tornillo: Obtienen su energía de un volantín, por lo que son de energía limitada (1,4-280 MN). La carga se transmite a través de un tornillo sin fin y el martinete se detiene si la carga es elevada. Tiradas cortas donde se busca precisión.

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Prensas hidráulicas: Estas prensas funcionan a velocidades constantes y son de carga limitada o restringida (125 MN– 730 MN).

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Martillos: Los martillos obtienen su energía de la energía potencial del ariete que se convierte en cinética, por lo que son de energía limitada. Permiten la producción de piezas complejas. Es el equipo de forjado menos costoso. Como son de energía limitada lo que va a limitar la energia con la que impacta en la pieza va a ser la altura.

- Martinetes: En los martinetes mecánicos hasta 1150 KJ. En los martinetes por gravedad una operación de forjado de caída libre 120 KJ.

- Contramartillos: Hasta 1200KJ. - Máquinas de forjado de alto índice de energía (HERF): El ariete se acelera rápidamente por medio de un gas inerte a alta presión y la parte se forja en un impacto a gran velocidad. Tiene un uso limitado por el riesgo de rotura de la pieza y la matriz. •

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Servoprensas: Hasta 25000 KN. !...