conformacion de metales - forjado
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DOCENTE:ING. ROGER MOZO HORNA
INTEGRANTES:ANCHANTE LAGOS NEVENKAELORREAGA HERNANDEZ
GIANCARLOSGUERRA RIEGA D’YANARAHERNANDEZ MARTINEZ
DANIELMOLINA VILCHEZ ANTHONYPORTILLA PILLACA BRIAMREJAS CASTILLO CAMILAROMAN RUBIO NILSQUIJANDRIA RAUL EDUARDO
CONCEPTO
La forja, al igual que la laminación y la extrusión, es un proceso de fabricación de objetos conformado por deformación plástica que puede realizarse en caliente o en frío y en el que la deformación del material se produce por la aplicación de fuerzas de compresión.
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.
CLASIFICACIÓN DE LA FORJA
El proceso de forja se clasifica de muy diversas formas, dependiendo del estado del material que se va a forjar y de la forma del proceso, esto es:
Por las condiciones del
proceso
frío
caliente
Por las características
de las herramientas
Matriz abierta
Matriz cerrada
Forja con rodillos
FORJA EN FRÍO. Fundamentalmente se efectúan operaciones de acabado o aquellas que se caracterizan por pequeños porcentajes de deformación.
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.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA
FORJA
desventajas
Forjado en caliente previene el
endurecimiento de trabajo y aumentar así la
dificultad de realizar mecanizado distinto de la operación eficaz de la
pieza.
Piezas producidas por forjar fuertes que están fundidas o mecanizado
de piezas.
ventajas
CARACTERÍSTICAS DE LOS
PRODUCTOS FORJADOS:
• REPETIBILIDAD: largas series de productos idénticos.
• Excelentes PROPIEDAD
ES MECÁNICAS
:
Tenacidad
Ductilidad
• Resistencia
a fatiga
• Resistencia
a la corrosión
gracias a la INTEGRIDA
D METALÚRGI
CA
• el FIBRADO
DIRECCIONAL
(siguiendo el contorno de la pieza)
• Alta PRODUCTIVIDAD (nº de piezas/hora
).
Conceptos básicos de diseño de productos forjados
LIMITACIONES DE DISEÑO DE PRODUCTOS FORJADOS:• Necesidad de ÁNGULOS DE SALIDA en las paredes verticales.• Necesidad de radios de acuerdo: NO ES POSIBLE FORJAR ARISTAS VIVAS.• MUY DIFÍCIL FORJAR PAREDES MUY DELGADAS.• Tolerancias y acabado superficial pobres (FORJA EN CALIENTE).• NO ES POSIBLE FORJAR AGUJEROS DE PEQUEÑO DIÁMETRO.
FORMULA:Fuerza necesaria para realizar la forja:
Donde sí se trata de forja con estampa A es el área proyectada de la pieza incluyendo la rebaba y Kf (factor de forma) se obtiene de tablas. En forja libre A es el área de contacto entre la matriz y la pieza y Kf se obtiene de:
Donde es el coeficiente de rozamiento entre el material y la prensa, y D y h son el diámetro (o longitud de contacto) y la altura de la pieza en el instante calculado.
Cálculo del esfuerzo de fluencia:
Donde K es el coeficiente de resistencia a la fluencia del material y n es el coeficiente de endurecimiento por acritud.
Cálculo de la deformación:
Donde hi es la altura inicial del bruto de partida y hf es la altura final.
PARAMETROS DE OPERACIÓN
RIESGOS PRINCIPALES EN PROCESOS DE FORJA La forja es un proceso de conformación en caliente o frío, aplicado a
metales y aleaciones sometidos a grandes presiones a través de prensas, mediante martinetes o por golpes de mano.
Forja a mano, apoyado por hornos tipo fragua, en que el proceso consiste en golpes de martillo sobre piezas pequeñas pre calentadas.
Forja mecanizada en caliente o laminado en caliente, de características particulares, con el apoyo de máquinas que imprimen golpes (prensas) y una matriz de estampado.
Forja mecanizada en frío o laminado en frío.
CARACTERISTICAS DEL FORJADO
La forja es un proceso de conformado por deformación plástica que puede realizarse en caliente o en frio.
Este proceso de fabricación se utiliza para dar una forma y unas propiedades determinadas a los metales y aleaciones a los que se le aplica mediante grandes presiones.
PROPIEDADES DEL PROCESO DE FORJADO Con un diseño adecuado, el flujo de grano puede ser orientado en la
dirección de las tensiones principales encontradas en el uso real. Las propiedades físicas (Resistencia, ductilidad y tenacidad) son mucho
mejores en una forja que en el metal base, que tiene cristales orientados al azar.
Las piezas forjadas son consistentes de pieza en pieza, sin porosidades, vacíos, inclusiones y otros defectos.
No produce viruta por tanto menos costo ya que la rebaba es más fácil de manipular que la viruta.
VENTAJAS DEL PROCESO DE FORJADO
Integridad estructural• Alta resistencia y tenacidad• Bondad de configuración• Uniformidad de las piezas
Sin desperdicio por desbaste• Ahorro de peso• Economía al combinar varias partes de una sola forma
OBJETIVOS DEL FORJADO Definir puntualmente este Sistema de conformado
Investigar sobre las propiedades y características del proceso de la forja en la industria actual
Evaluar las ventajas y las desventajas de este Sistema en comparación con las otras formas de moldeado
Diferenciar y comprender las diferencias entre el forjado en frio y en caliente.
FORJA LIBRE• Es el tipo de forja industrial más antiguo y se caracteriza por que la
deformación del metal no está limitada (es libre) por su forma o masa. Se utiliza para fabricar piezas únicas o pequeñas lotes de piezas, donde normalmente estas son de gran tamaño.
• FORJA DE MATRIZ ABIERTA O LIBRE. Este tipo de proceso se emplea para producir formas simples en poco tiempo y con bajo costo, esto es debido a que carecen de detalles y dimensiones exactas. Las formas producidas con matriz abierta usualmente requieren de maquinaria adicional para poder terminar la geometría de la pieza.
FORJADO “ESTAMPADO”
• El estampado difiere de la forja con martillo en que se usa más bien una impresión cerrada que dados de cara abierta Para asegurar el flujo propio del metal durante los golpes intermitentes, las operaciones se dividen en un número de pasos. Cada paso cambia la forma gradualmente, controlando el flujo del metal hasta que la forma final se obtiene.
• El número de pasos requeridos varia de acuerdo al tamaño y forma de la pieza, las cualidades de forja del metal y las tolerancias requeridas
FORJADO “ESTAMPADO”
FORJADO “ESTAMPADO”
Necesidad de un proceso posterior de desbarbado
FORJADO “ESTAMPADO”
FORJADO “ESTAMPADO”
• Las temperaturas aproximadas de forjado son:• acero 1100 a 1250 °C; • cobre y sus aleaciones 750 a 925°C; • magnesio 370 a 450°C.
FORJADO “ESTAMPADO”
• Con dados cerrados
FORJADO “ESTAMPADO”
• El forjado sin rebaba se clasifica frecuentemente como un proceso de forjado de precisión
FORJA CON ESTAMPA
La conformación con estampa es una conformación por compresión en la que se utilizan herramientas conformadoras que se desplazan una contra otra (estampas) y que circudan la pieza totalmente o en una
extensión importante. La conformación con estampa es un procedimiento de
fabricación en serie.
Antes y después de aplicar el proceso de forja con estampa
. El material de las estampas de forja
ha de ser duro, tenaz y resistente al desgaste y al calor.
Como materiales para las estampas se utilizan, sobre todo, los aceros al
níquel-cromo-molidebno.
La estampa superior se fija a la maza y la estampa inferior al
yunque.
Estampas:
El número de piezas que puedan forjarse en una
estampa hasta su inutilización se denomina duración de la estampa.
Máquinas para la forja con estampa:
Son los martinetes mecánicos, las prensas y las máquinas de recalcar, por ejemplo, para el recalcado de cabezas en estampa.
Proceso de trabajo en la forja con estampa:
En la forja con estampa se parte de una barra, cuyo extremo se calienta y se forja en estampa abierta, separándose
después la pieza acabada. Se continúa el forjado de la pieza en estampa cerrada, en la que se coloca la pieza procedente
de la operación anterior.
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stam
pa: .
Las piezas obtenidas tienen mayor exactitud de
dimensiones y son más uniformes; frecuentemente es innecesaria una elaboración
ulterior; en el caso de que sea necesaria una elaboración con arranque de viruta, ésta puede
ser pequeña.
Mediante la forja con estampa pueden fabricarse piezas que no pueden hacerse mediante
la forja sin estampa.
La forja con estampa puede realizarse con personal no
especializado.
Una desventaja la constituye el elevado coste de las
estampas; por ello, la forja con estampa se emplea
únicamente en la fabricación en serie.
Ofrece varias ventajas en comparación con la forja sin estampa
-Estampado en frío a presión
El estampado en frío permite obtener el artículo muy exacto con una calidad de la superficie
que no requiere ningún tratamiento mecánico adicional.
En este caso, surgen limitaciones relacionados con
más altos esfuerzos de la deformación y la resistencia del
instrumento.
-Estampado en caliente
Particularidades
El flujo del metal está limitado por la
forma de los utillajes.
Los utillajes (estampas) son
caros y se obtienen por mecanizado.
Soportan cargas y temperaturas
elevadas.
El exceso de material fluye hacia afuera formando la
rebaba.
Otros métodos de cálculo La carga para forja ya sea en matriz abierta como en cerrada, se puede calcular de la siguiente manera:
Otros autores proponen con base en la experiencia los siguientes valores para C (tabla 4.3)
En la forja con matriz cerrada se pueden forjar piezas que van desde muy simples hasta piezas con geometría muy complicada. La figura 4.17 muestra cómo va aumentando el grado de complejidad de las piezas de acuerdo con su geometría.
DISEÑO
Número de piezas que van a producirse,
geometría y peso de dichas piezas
Material de las piezas
Equipo disponible
Número y configuración de los pasos de preformado.
Dimensiones de la rebaba en preformas y pasos
acabadores.
Carga y energía para cada operación de forja.
Tolerancias requeridas así como en acabado.
Las características de las estampas de forja son
muy variables y se puede considerar que no existe una solución única para
cada caso. Para definir la precisión de la forja, el
material de la estampa y la forma cómo se llevará
a cabo el proceso, es necesario considerar:
RECALCADO
Consiste en la concentración o acumulación de material en una zona determinada y limitada de una pieza (normalmente en
forma de barra). Por tanto, una consecuencia directa de este proceso es que disminuye la longitud de la barra inicial y
aumenta la sección transversal de ésta en la zona recalcada. Si el proceso se realiza en frío y en los extremos de las piezas se
denomina encabezado en frío.
El recalcado en frío se emplea
sobre todo en la fabricación de tornillos, para recalcar las
cabezas.
Los materiales adecuados para el
recalcado en frío son los aceros sometidos a recogido blando y los
metales no férreos maleables. El
diámetro de partida oscila, en general, entre 2 y 20 mm.
Se aplica a piezas de diámetro uniforme, sujetándolas entre dados hembra divididos y un dado de cabeceo (punzón) comprime al material aumentando el diámetro de la pieza.
Para la fabricación en serie se utilizan prensas de recalcar en frío totalmente automáticas, que están equipadas con
cigüeñales o con palancas acodadas para producir la fuerza necesaria para el recalcado. De la barra de material
que se introduce en la máquina se corta la longitud necesaria y se conforma la pieza de partida mediante un
recalcado que se realiza de una sola vez o en varias fases.
Los materiales más idóneos para este proceso son los aceros pobres en carbono, así como el cobre, aluminio y sus aleaciones. Incluso que
pueden utilizar aceros aleados.
Pude realizarse en frío en materiales dúctiles.
Generalmente no se requiere de rebabeo.
Las impresiones pueden estar en el punzón, en el dado de sujeción o en ambos.
Generalmente se forman piezas complejas en una secuencia de dados independientes.
El diámetro se puede incrementar hasta tres veces con respecto al original.
Incrementa el diámetro sólo en un extremo, comprimiendo su longitud.
Características del Proceso
Orientación del flujo en forja en frío
Este cuerpo de bujía fue forjada en frío. El corte
muestra el flujo de granos favorable, lo que
incrementa la resistencia de la pieza.
La precisión dimensional es muy buena por lo que no requiere maquinado posterior o muy poco.
La forja en frío puede producir piezas con una mínima cantidad de
rebaba.
PRENSAS Y MARTILLOS
PRENSASLOS EQUIPOS DE PROCESO DE FORJA SE PUEDEN DIVIDIR EN DOS GRANDES GRUPOS:
PRENSAS: Aplicación de presión sobre el material. Proporciona una deformación homogénea del material y mejores tolerancias que los
martillos. Su capacidad viene definida por la fuerza disponible en la carrera de bajada de la
estampa. Se clasifican en función del mecanismo utilizado para el movimiento de la estampa
superior: Prensas mecánicas Prensas hidraulicas
PRENSAS MECANICAS Mecanismo de biela-manivela(energía almacenada en un volante de
inercia) Fuerza y velocidad dependen de la cinematica de la prensa.
PRENSAS HIDRÁULICAS Accionadas por un cilindro hidráulico servocontrolado.
Fuerza y velocidad dependen del caudal y la presión en el cilindro hidráulico
Menor productividad que las mecánicas
Adecuadas para forja libre de grandes piezas: capaces de grandes fuerzas y control exhaustivo de la posición de la estampa superior.
Mas caras y mayor mantenimiento que las mecánicas.
¿Que es un servo control?Un Servo control es un sistema que te permite dominar la cantidad, o la distancia exacta de tu proceso ya que es controlado por un motor de pasos que puede dar desde 0000.1m/s de distancia hasta el infinito
CLASIFICACIÓN DE LOS MARTILLOS MARTILLOS : se clasifican en función del modo de obtención de la energía: MARTILLO DE CAIDA POR GRAVEDAD Energia cinetica de impacto= Energia potencial de altura
Automatizacion de la subida de la masa (control electrónico de la subido)
MARTILLO DE CAIDA
POR GRAVEDAD
Elevado mediante cilindro
hidráulico servoelevad
o
MARTILLOS DE CAIDA ACTIVADALa caída se acelera mediante aire comprimido o presión hidráulica. Se consiguen energías mucho mayores que en los de caída por gravedad.
CLASIFICACIÓN DE LOS MARTILLOS
MARTILLOS Parte de la energía del
golpe de un martillo se disipa en La estructura La cimentación
LOS MARTILLOS DE CONTRAGOLPE CONCENTRAN LA ENERGIA EN LA PIEZA, MINIMIZANDO LA ENERGIA DISIPADA EN LA CIMENTACION. A CAMBIO SON MENOS PRECISOS.
SIMULACIÓN POR ORDENADOR DEL PROCESO DE FORJA
LA COMPLEJIDAD DEL PROCESO DE FORJA (PLASTICIDAD A ALTA TEMPERATURA, GEOMETRIA VARIABLE, ELEVADAS TASAS DE DEOFRMACIÓN,…)hace que los cálculos de presiones, deformaciones, temperaturas locales, etc. Sean muy complejos
EL METODO DE ELEMENTOS FINITOS: proporciona una herramienta eficaz para estos cálculos.En la actualidad existe software comercial de elementos finitos para el estudio del proceso de forja.OBJETIVO DE LA SIMULACION DE FORJA POR ELEMENTOS FINITOS: Calculo de fuerzas y energías necesarias para la forja. Ensayo del flujo del material: diseño optimo de
radios, espesores,etc. Estudio de la influencia de la temperatura en forja. Calculo de las tensiones y deformaciones sobre las
estampas.
DATOS NECESARIOS PARA LA SIMULACIÓN
Geometría de estampas y taco de partida.
Datos de materiales Ecuaciones constitutivas del MATERIAL
DE PIEZA: relaciones entre tensión, deformación, tasa de deformación y temperatura.
Datos sobre los MATERIALES DE LAS ESTAMPAS: modulo de elasticidad, conductividad térmica, etc.
Datos sobre el lubricante: coeficiente de fricción conductividad térmica, etc.
Características del martillo o prensa.
COSTO DE DISEÑO DE PRODUCTOS FORJADOS
COMPONENTES DEL COSTE FINAL DE UN PRODUCTO FORJADO• COSTE DE MATERIAL• COSTES DE UTILLAJE• COSTES DE
PRODUCCION• COSTES DE
MECANIZADO
EL COSTE UNITARIO DEL PRODUCTO ESTA RELACIONADO CON EL TAMAÑO DE LA SERIE A PRODUCIR
CUANTO MAYOR SEA LA SERIE, RESULTA MAS ECONOMICO AJUSTAR LA FORMA FORJADA A LA FORMA FINAL DE LA PIEZA, REDUCIOENDO EL MECANIZADO.
EL PROCESO DE FORJA NO IMPONE LIMITES DE DISEÑO( NO ES POSIBLE FORJAR CUALQUIER GEOMETRIA)
Forja Artesanal
ConceptosO En este caso, la forja es el arte y el lugar de trabajo
del forjador o herrero, 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 martillos para golpearlo.
O En la forja se modela el metal por deformación plástica y es diferente de otros trabajos del metal en los que se elimina parte del material mediante brocas, fresadoras, torno, etc. y de otros procesos por los que se da forma al metal fundido vertiéndolo dentro de un molde (fundición). Al tratarse de un oficio casi en extinción, hay muy pocos artistas forjadores que realmente utilizan el hierro de forma artesanal.
EFECTOS QUE PRODUCE LA FORJA EN CALIENTELA DEFORMACIÓN EN CALIENTE AFECTA TANTO A LA MICROESTRUCTURA COMO A LA MACROESTRUCTURA
EFECTOS PRODUCIDOS SOBRE LA MICROESTRUCTURA
Normalmente la forja supone un afino del grano, este se hace más pequeño debido a dos causas:
La primera de ellas es la rotura del mismo durante la deformación. El grano se va alargando y al final se parte.
La segunda causa es la recristianización que se produce constantemente debido a la temperatura existente y la acritud introducida.
EFECTOS PRODUCIDOS SOBRE LA MACROESTRUCTURA
Los poros, concavidades y grietas del material desaparecen al llegar a hacer contacto con las superficies opuestas, y como al mismo tiempo se va produciendo la recristalización llegan a soldar perfectamente mejorando la calidad.
El alargamiento de los granos hace que haya un gradiente de concentraciones mayor. Como la forja se realiza generalmente a altas temperaturas, la difusión se ve favorecida por los dos factores. Se facilita por consiguiente la homogenización de las segregaciones dendríticas.
FACTORES QUE INFLUYEN EN EL TAMAÑO DEL GRANO QUE OBTIENE CON LA DEFORMACIÓN EN CALIENTE
Temperatura final del proceso.Velocidad de enfriamiento.Tamaño inicial del grano.Cantidad de la deformación.
CONCLUSIONES:
El efecto que produce la forja en caliente afecta tanto a la macroestructura como a la microestructura.
Influyen varios factores en el tamaño del grano.Aparte de su efecto la forja es un proceso de fabricación
mecánica que implica energía, fuerza precisa y fuerza bruta.
trabajo de forjado en caliente implica ventajas y desventajas.
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