Procesos de Conformado de MaterialesF O R J A

Prof: Ubaldo E. Mrquez

EJEMPLOS DE FORJAEjes de TraccinAnillos sin costuraBarrena de perforacinEstructura de avin ArmamentoGanchos

EJEMPLOS DE FORJA

ObjetivoPor qu Forja?Consideraciones de Diseo.Tipos de Forja; En dados abiertos y en dados cerradosProceso en fro y en calienteTipos de Mquinas de forja y Herramientas adicionales.Costos de Forja.Futuro de Forja.Conclusiones.

APLICACIONES DE FORJA

Ejemplo de Forja

Qu es la Forja?Es el proceso de conformado donde los metales son prensados bajo grandes cargas de compresin para generar piezas de alta resistencia y tenacidad.El proceso generalmente es realizado en caliente(TR

Forja

Forja es bsicamente la accin de compresin por impacto, realizada a altas. Los tipos son en dados abiertos y cerrados. En prensas hidrulicas se pueden aplicar fcilmente cientos de toneladas de compresinQu es la Forja?

Forja

Por qu Forja?Incrementa las propiedades del material.Para altas producciones y bajos costos.Se reduce el maquinado de acabado.Pueden formarse materiales con alta dureza/tenacidad.Tolerancias muy pequeas.Producciones muy rpidas.

Componente del tren de aterrizaje de un avin C5A y C5B. Pasos de forja de un eje con engrane.Ejemplos de Forja

Metales que se Forjan?Cualquier metal puede ser forjado. Los ms comunes son: Aceros al carbono, aleados, inoxidables, de alta dureza, aluminio, titanio, cobre y latn, y aleaciones refractarias que contienen cobalto, nquel o molibdeno.Cada aleacin tiene diferentes propiedades, niveles de resistencia y peso, caractersticas especficas, determinadas por el usuario para un mejor uso.

ConsideracionesGeneralesGrandes Cargas.Grandes esfuerzos para deformacin.Altas temperaturas y cargas de impacto. Largas vidas de servicio del equipo (>20 aos). La Fatiga no es un problema comn en las prensas.Los sistemas CAD han generado avances significativos en las mquinas y en el diseo de herramientas.

Operacionesde Forja

Caractersticas de los Procesos de ForjaDado abiertoSimples, baratos, tiles para pequeas cantidades, amplia variedad de tamaos, buena resistencia.Dado cerradoMejor Aprovechamiento del material, mejores propiedades que los dados abiertos, buena precisin dimensional, alta velocidad de produccin, y buen acabado.D. impresinBajo costo, alta velocidad de produccin.

Forja dados abiertos

Forja dados abiertos

Forja en dados abiertos

Forja en dados abiertos

Forja

Forja en dados abiertos

Forja de anillos

Forja de anillos

Forja de Anillos

Equipos de Forja

Forja en MartillosDados abiertos y Cerrados

Forja en Prensas

Forja en dados abiertosSe llama dados abiertos por que el material no esta confinado lateralmente, se hace generalmente entre dados planos permitiendo un amplio rango de formas y tamaos. Si se desea una pieza con excelente integridad estructural y es de gran tamao, lo ms apropiado es forja en dados abiertos. El tamao de la pieza slo esta limitado por el tamao del lingote o tocho inicial.

Forja en dados abiertos

Ejes

1. Se sujeta el tocho con las tenazas.2. Se forja en dado abierto3. Forjado progresivo4. Se tornea a la forma final.

Discos 1. Tocho inicial2. Forja inicial3. Forjado progresivo hasta las dimensiones del disco4. Troquelado

Forja en Dados abiertos

Forja en dados abiertos

Anillos 1. Montado de material.2. Se reduce el espesor3. Se incrementa el dimetro del anillo.4. Aproximacin a la forma final.Tubos Mecnicos

1. Perforacin del cilindro.

2.Reduccin progresiva del dimetro exterior e incremento de la longitud del tubo (dimetro interior constante).

Forja en dados abiertos Anillos

Capacidades del ProcesoPrcticamente todos los materiales ferrosos y no ferrosos son forjables, incluyendo algunos materiales exticos como superaleaciones endurecidos por envejecimiento y aleaciones refractarias resistentes a la corrosin.Su capacidad se mide en el tamao del rea proyectada y se pueden producir formas redondas, cuadradas, hexagonales y otras.

Forja en dados abiertosConjuntos de herramientas para forja en dados abiertos

Capacidades del ProcesoEjes slidos con diferentes dimetros, que se incrementan o disminuyen a lo largo de su longitud. Formas cilndricas huecas, con longitudes ms grandes que el dimetro, con variaciones en el espesor de pared y/o cambios en dimetro exterior o interior. Piezas en forma de anillos o arandelas unidos a cilindros, con diferentes relaciones de altura/espesor.

Forja en Dados abiertos

Capacidades del ProcesoCuerpos de maquinaria en forma de recipientes de presin que tienen boquillas y otras salientes.

Pueden combinarse diferentes operaciones sucesivas de forja, en una secuencia de dados abiertos, para producir la forma requerida.

Forja en dados abiertos

Forja en dados cerrados

Forja en dados de impresin (cerrados) La forja en dados de impresin comprime al metal entre dos dados (llamados herramientas) que contienen una cavidad preformada de la pieza deseada. Las piezas que pueden manufacturarse van desde unos cuantos gramos hasta decenas de toneladas. Algunas piezas pequeas pueden forjarse en fro.

Forja en dados cerradosHerramientas para forja en dados cerrados

Forja en dados cerrados

Capacidades del Proceso A la forja de impresin, comnmente se llama forja en dados cerrados. Produce una variedad ilmitada de formas en 3-D, (desde unos gramos hasta piezas de ms de 25 tons.). Se usan prensas hidralicas, mecnicas y martillos, con capacidades por arriba de 50,000 tons, 20,000 tons y 50,000 lbs. respectivamente.

Forja en dados cerrados

Forja en dados cerrados

Forja en Dados cerrados

Piezas forjadas en dados cerradosMango forjado con dado de impresin (izq), con operaciones de maquinado, y producto terminado (der).Rebaba (Flash) despus de la operacin de corte de las mordaza mvil.

Capacidades del ProcesoDos o ms dados forman la cavidad de impresin de la pieza que al cerrarse deforman plsticamente al material. El material fluye, restringido por el contorno del dado, y se forman piezas muy complejas y de tolerancias ms cerradas que con una forja en dados abiertos. Se tiene amplia flexibilidad de formar piezas simtricas y no simtricas, que son posibles por los diversas operaciones de preformado (a veces de doblado) previos al forjado en dados de acabado.

Forja en dados cerrados

ForjaGancho de acero AISI-4140 Forjado.Se muestra las lneas de flujo (Textura) resultado del forjado.

Forja en dados cerrados

Capacidades del ProcesoLas geometras van desde sencillas como las esfricas, slidos rectangulares o en forma de disco hasta las ms complejas con secciones delgadas y largas que tienen nervaduras. Muchas piezas son simtricas y otras tienen varios elementos de diseo (perforaciones, bordes, cavidades, etc.) que combinados hacen que las piezas forjadas sean asimtricas. Adicionalmente las piezas se pueden doblar en uno o varios planos, y pueden ser longitudinales, equi-dimensionales o planas.

Forja en dados cerrados Forjado de una cavidad en un billet cilndrico mostrando las lneas de flujo.

Piezas por forja en dados cerrados

Capacidades del ProcesoLos metales sealados, normalmente se pueden forjar mediante dados de impresin pero materiales sensibles a la temperatura y velocidad de deformacin como el magnesio, aleaciones base nquel, aleaciones refractarias, requieren de sofisticados procesos o equipos de forja.Las piezas se pueden forjar en diversas cavidades en el mismo dado cambiando gradualmente su forma.

Aplicaciones de la forja de impresinAeroespacialImplantes MdicosRines Deportivos

Forja en dados de impresinSe produce una lnea de particin en la pieza y rebaba que deber removerse.Generalmente requieren operaciones de maquinado para obtener buena precisin dimensional y buen acabado superficial.

Forja en dados cerrados

Diseo de dadosLos dados se hacen de aceros para herramienta, forjados y tratados o endurecidos.Deben soportar altos impactos.Deben resistir termofluencia y oxidacin.Son factores que limitan la forja.

La vida del dado es la llave al xito del forjado en calienteVida promedio:La vida promedio de los dados es muy variable. El 12% de las operaciones de forja causaron el 94% de la falla de los dados.Se ha mejorado notablemente la vida promedio de los dados hasta mas de 1200 piezas.

Forja en dados cerrados

Dados abiertos y cerrados

Forja en dados cerrados

Forja en dados cerrados

Forja de RecalcadoSe aplica a piezas de dimetro uniforme, sujetndolas entre dados hembra divididos y un dado de cabeceo (punzn) comprime al material aumentando el dimetro de la pieza. Puede usarse una secuencia de dados en forma de cavidad para que la pieza adquiera la forma final gradualmente. ste es un proceso de formado puede realizarse en fro.

Forja de Recalcado

Forja de Recalcado

Caractersticas del ProcesoIncrementa el dimetro slo en un extremo, comprimiendo su longitud.El dimetro se puede incrementar hasta tres veces con respecto al original. Generalmente se forman piezas complejas en una secuencia de dados independientes.Las impresiones pueden estar en el punzn, en el dado de sujecin o en ambos. Generalmente no se requiere de rebabeo. Puede realizarse en fro en materiales dctiles.

Forja de Recalcado

Forja en Fro

Muchas forjas se hacen en caliente, a temperaturas superiores a 1250 C. Pero la forja de impresin se puede realizar en fro. La forja en fro o recalcado o acuado el material se deforma a bajas temperaturas. La temperatura va desde temperatura ambiente hasta varios cientos de grados.

Forja en FroLa extrusin directa reduce el dimetro del tocho e incrementa su longitud para producir piezas como ejes y cilindros. Y en la extrusin inversa el material fluye hacia atrs y alrededor del punzn para formar piezas en forma de copa.

El recalcado o cabeceado es una tcnica comn para hacer tornillos, pernos e incrementar el dimetro a lo largo de la longitud de la pieza.

Orientacin del flujo en forja en froEste cuerpo de buja fue forjada en fro. El corte muestra el flujo de granos favorable, lo que incrementa la resistencia de la pieza.La precisin dimensional es muy buena por lo que no requiere maquinado posterior o muy poco.

Forja en FroLa Forja en Fro puede producir piezas con una mnima cantidad de rebaba.

Pasos de forja en fro

Recalcado en Fro

Produccin de pernos forjados en fro

AcuadoUso para producir monedas, medallones y joyera.Se puede usar Lubricacin.Puede usarse para mejorar el acabado. Proceso de Forja en Dados Cerrados.

Forja Rotativa

Tipos de MquinasPrensasLas ms comunes son hidrulicas.Las otras son mecnicas y de tornillo.Se caracterizan por su capacidad de prensado.Las ms lentas se usan para piezas complejas.

MartillosIncluyen las de cada libre, potencia y doble impacto.Apropiados para piezas pequeas.Se clasifican por la energa liberada al dado.

VENTAJAS

Prensas HidrulicasSources: www.lasco.com , www.schultzsteel.com2,000 ton press

Martillos Source: Ceco drop forges

Velocidades de Forja Equipo m/s . Prensa Hidrulica0.06-0.30Prensa Mecnica0.06-1.50Prensa de Tornillo 0.6-1.2Martillo de Cada libre 3.6-4.8Martillo de Potencia 3.0-9.0Martillo de Doble Impacto 4.5-9.0

Prensas HidrulicasLa deflexin en la parte superior del marco se disminuye.Inversin inicial alta, pero de fcil mantenimiento.Se pueden generar fuerzas de hasta 80,000 tons.La lenta velocidad de forja causa calentamiento en los dados.Qu tanta deflexin?= FL3 48EIIf =.1, L=8 ft.,E=60,000psiI=492 E6 in4

Prensas HidrulicasSources: www.lasco.com , www.schultzsteel.com2,000 ton press

Prensas MecnicasLa rigidez del yunque es de gran importancia.Rodamientos de carga sobre el marco y la biela.La transferencia de calor y la fatiga pueden ser un problema.Capacidad limite hasta 12,000 tons.

Prensas MecnicasEl husillo debe resistir pandeo y fatiga.Capacidades mximas hasta 32,000 tons.El marco de carga debe resistir grandes momentos torsionales.

Martillos Ms baratos que las prensas hidrulicas.Mantenimiento ms difcil.No existen grandes deflexiones.Rango de capacidades de 900,000 ft-lb.

Martillos Source: Ceco drop forges

Costos de ForjaEl diseo de maquinaria especial puede costar millones de dlares.Los dados pueden fabricarse en la empresa y los costos dependen del tamao, material y tratamiento trmico.

$30,000 US para un martillo pequeo y usado.Las ventas de piezas forjadas estn por arriba de 90,000 millones de dlares en EU.

Futuro de la ForjaForja Isotrmica

Produce la pieza final.El material y los costos son reducidos considerablemente.Se emplean para piezas de la industria aeroespacial. Forja sin rebaba

Elimina material de desperdicio.Requiere dados de gran precisin y martillos de alta capacidad.Se emplea en piezas donde las propiedades son muy importantes.

ConclusionesLa forja es un proceso antiguo, pero el CAD y el mtodo de anlisis por elemento Finito ha mejorado los diseos.Los dados son las piezas ms importantes de una mquina de forja.La forja isotrmica y sin rebaba, son los avances en la forja para la eliminacin de procesos secundarios.