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Tema 5: El proceso de forja 1/22

MDULO II: CONFORMADO PLSTICO DE METALES

TEMA 5: El proceso de forja

TECNOLOGA MECNICA

DPTO. DE INGENIERA MECNICA

Universidad del Pas Vasco Euskal Herriko Unibertsitatea


1. Caractersticas de los productos forjados

2. Forja libre y forja con estampas

3. Conceptos bsicos de diseo de productos forjados

4. Prensas y martillos

5. Simulacin por ordenador del proceso de forja

6. Cuestionario tutorizado

7. Oportunidades laborales: empresas y productos

Contenidos



FORJA: deformacin controlada de un metal hasta una forma final mediante la aplicacin de presin o de impactos sucesivos

CARACTERSTICAS DE LOS PRODUCTOS FORJADOS: REPETIBILIDAD: largas series de productos idnticos. Excelentes PROPIEDADES MECNICAS:

Tenacidad Ductilidad Resistencia a fatiga Resistencia a la corrosin

gracias a la INTEGRIDAD METALRGICA el FIBRADO DIRECCIONAL (siguiendo el contorno de la pieza)

Alta PRODUCTIVIDAD (n de piezas/hora). Solo se justifican SERIES LARGAS (coste de utillajes y medios de produccin). Las cotas y superficies funcionales (TOLERANCIAS Y ACABADOS SUPERFICIALES) suelen precisar MECANIZADO posterior

Estructura de grano (fibrado) en un producto FORJADO (arriba), MECANIZADO (izq) y FUNDIDO (dcha)

Proceso de FORJA CON ESTAMPAS








Componentes para la industria del automvil

Partes de motores de aeronaves








Engranajes, ganchos, industria mecnica en general

Implantes biomdicos



FORJA LIBRE:

No se confina el flujo de metal. Se utiliza para forjar piezas sencillas o para preformas destinadas a piezas complejas posteriores. Utillajes simples

Forja libre de un eje (arriba) y de un disco (abajo). Derecha, video de forja

libre en prensa hidrulica



FORJA CON ESTAMPAS:

El flujo del metal est 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 fuera formando la rebaba.

Estampa superior

Estampa inferior Pieza

Maza

Yunque

Rebaba

Forja de una biela en 5 etapas, y utillajes mecanizados para cada etapa



COMPONENTES DEL COSTE FINAL DE UN PRODUCTO FORJADO:

Costes de material. Costes de utillajes. Costes de produccin. Costes de mecanizado.

El COSTE UNITARIO del producto est relacionado con el TAMAO DE LA SERIE a producir:

Cuanto mayor sea la serie, resulta ms econmico ajustar la forma forjada a la forma final de la pieza, reduciendo el mecanizado.

El proceso de forja impone lmites de diseo (NO ES POSIBLE FORJAR CUALQUIER GEOMETRA)



LIMITACIONES DE DISEO DE PRODUCTOS FORJADOS Necesidad de NGULOS DE SALIDA en las paredes verticales. Necesidad de radios de acuerdo: NO ES POSIBLE FORJAR ARISTAS VIVAS. MUY DIFCIL FORJAR PAREDES MUY DELGADAS. Tolerancias y acabado superficial pobres (FORJA EN CALIENTE). NO ES POSIBLE FORJAR AGUJEROS DE PEQUEO DIMETRO.

ngulo de salida

Radios de acuerdo

Paredes delgadas



LIMITACIONES DE DISEO DE PRODUCTOS FORJADOS

Radios de acuerdo amplios (izquierda de la estampa) favorecen el flujo del

material en rgimen plstico

Radios de acuerdo pequeos y aristas vivas pueden provocar flujo

defectuoso y grietas en la pieza


4. Prensas y Martillos

Los equipos para el proceso de forja se pueden dividir en dos grandes grupos: PRENSAS Y MARTILLOS

PRENSAS: aplicacin de PRESIN sobre el material. Proporcionan una deformacin homognea 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 funcin del mecanismo utilizado para el movimiento de la estampa superior :

Prensas MECNICAS Prensas HIDRULICAS



Prensas MECNICAS: Mecanismo de biela-manivela (energa almacenada en un volante de inercia) Fuerza y velocidad dependen de la cinemtica de la prensa

Cigeal

Biela

Maza

EstampasYunque

Bastidor

Fuerza mximaFuerza

nominal

Fuerza de la prensa

Punto muerto inferior

Punto muerto

superior



Prensas MECNICAS: Mecanismo de biela-manivela Fuerza y velocidad dependen de la cinemtica de la prensa

Prensa mecnica de 1000 Tm para forja en caliente

Prensa mecnica de 160 Tm para punzonado de piezas

pequeas



Prensas HIDRULICAS: Accionadas por un cilindro hidrulico servocontrolado. Fuerza y velocidad dependen del caudal y presin en el cilindro hidrulico. Menor productividad que las mecnicas. Adecuadas para forja libre de grandes piezas: capaces de grandes fuerzas y control exhaustivo de la posicin de la estampa superior. Ms caras y mayor mantenimiento que las mecnicas.

Prensa hidrulica de 15.000 Tm para la forja libre de ejes de barco



Los equipos para el proceso de forja se pueden dividir en dos grandes grupos: PRENSAS Y MARTILLOS

MARTILLOS: aplicacin de IMPACTOS sucesivos sobre el material. Proporcionan una deformacin ms superficial que las prensas. En general son ms baratos y flexibles que las prensas. Su capacidad viene definida por la ENERGA disponible en el momento del impacto.



MARTILLOS: Se clasifican en funcin del modo de obtencin de la ENERGA:

Martillos de CADA POR GRAVEDAD- Energa cintica de impacto = Energa potencial de altura

- Automatizacin de la subida de la maza (control electrnico de la altura)

Martillo de CADA POR GRAVEDAD elevado mediante cilindro hidrulico servocontrolado

hgmVmET == 221



Martillo de CADA ACTIVADA mediante

aire a presin

hSphgmET +=Energa de presin

P: presinS: rea del cilindroH: altura de cada

MARTILLOS: Se clasifican en funcin del modo de obtencin de la ENERGA:

Martillos de CADA ACTIVADA- La cada se acelera mediante aire comprimido o presin hidrulica. Se consiguen energas mucho mayores que en los de cada por gravedad.



Parte de la energa del golpe de un martillo se disipa en: La estructura La cimentacin

El rendimiento de un martillo es funcin del cociente entre la masa de cimentacin y la masa de cada

Los martillos de CONTRAGOLPE concentran la energa en la pieza, minimizando la energa disipada en la cimentacin. A cambio, son

menos precisos



La complejidad del proceso de forja (plasticidad a alta temperatura, geometra variable, elevadas tasas de deformacin,) hace que los clculos de presiones, deformaciones, temperaturas locales, etc. sean muy complejos.

El MTODO DE LOS ELEMENTOS FINITOS proporciona una herramienta eficaz para estos clculos.

En la actualidad existe software comercial de Elementos Finitos para el estudio del proceso de forja.

OBJETIVOS DE LA SIMULACIN DE FORJA POR ELEMENTOS FINITOS

Clculo de fuerzas y energas necesarias para la forja. Ensayo virtual de preformas. Estudio del flujo del material: diseo ptimo de radios, espesores, rebaba, etc. Estudio de la influencia de la temperatura de forja. Clculo de tensiones y deformaciones sobre las estampas.

Simulacin por ordenador de la evolucin de la fuerza necesaria para un proceso de forja con

estampas



DATOS NECESARIOS PARA LA SIMULACIN:

Geometra de estampas y taco de partida: FICHERO CAD. Datos de materiales:

Ecuaciones constitutivas del MATERIAL DE PIEZA: relaciones entre tensin, deformacin, tasa de deformacin y temperatura.

Datos sobre los MATERIALES DE LAS ESTAMPAS: mdulo de elasticidad, conductividad trmica, etc. Datos sobre el LUBRICANTE: coeficiente de friccin, conductividad trmica, etc.

Caractersticas del martillo o prensa.

),,( T &=

Prediccin mediante simulacin por ordenador de la aparicin de

una grieta causada por haber diseado un radio de acuerdo

demasiado pequeo

Simulacin del campo de temperaturas en una pieza

forjada


1. Por qu crees que la forja es un proceso ampliamente utilizado para componentes del automvil que trabajan bajo carga?

2. Por qu las prensas hidrulicas son ms adecuadas para forja libre de grandes piezas que las prensas mecnicas?

3. Investiga qu tipo de acero se utiliza para las estampas de forja.

4. Explicar el grfico de la evolucin de la fuerza durante una operacin de forja con estampas que aparece en la transparencia 19. Por qu se da el mximo de fuerza al final de la carrera?

5. Qu caractersticas del martillo o prensa crees que es necesario definir como entrada en un software de simulacin por Elementos Finitos del proceso de forja?

6. Por qu aumenta la eficiencia de un martillo al aumentar el cociente entre masa de chabota y yunque, y masa de cada?

7. Qu limitaciones de geometra y econmicas deben considerarse en el diseo de una pieza forjada? Cul es la alternativa para aquellos detalles que no puedan ser forjados?

6. Cuestionario tutorizado


Sistemas Forjados de Precisin SFPProductos para AUTOMOCIN, MECNICA EN GENERAL,Localizacin: Amorebieta (Bizkaia)www.sfp.es

7. Oportunidades laborales: empresas y productos

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