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  • 1. Procesos de Conformado de Materiales F O R J A Prof: Ubaldo E. Márquez
  • 2. EJEMPLOS DE FORJA Ejes de Tracción Anillos sin costura Barrena de perforación Estructura de avión Armamento Ganchos
  • 3. EJEMPLOS DE FORJA
  • 4. Objetivo
    • ¿Por qué Forja?
    • Consideraciones de Diseño.
    • Tipos de Forja;
      • “ En dados abiertos y en dados cerrados”
      • “ Proceso en frío y en caliente”
    • Tipos de Máquinas de forja y Herramientas adicionales.
    • Costos de Forja.
    • Futuro de Forja.
    • Conclusiones.
  • 5. APLICACIONES DE FORJA
  • 6. Ejemplo de Forja
  • 7. ¿Qué es la Forja ?
    • Es el proceso de conformado donde los metales son prensados bajo grandes cargas de compresión para generar piezas de alta resistencia y tenacidad.
    • El proceso generalmente es realizado “en caliente”(T R <T<T F ), elevando la temperatura antes de ser deformado.
  • 8. Forja
  • 9. “ Forja es básicamente la acción de compresión por impacto, realizada a altas. Los tipos son en dados abiertos y cerrados. En prensas hidráulicas se pueden aplicar fácilmente cientos de toneladas de compresión” ¿Qué es la Forja ?
  • 10. Forja
  • 11. ¿ Por qué 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 pequeñas.
    • Producciones muy rápidas.
  • 12. Componente del tren de aterrizaje de un avión C5A y C5B .
    • Pasos de forja de un eje con engrane.
    Ejemplos de Forja
  • 13. ¿Metales que se Forjan?
    • Cualquier metal puede ser forjado .
    • Los más comunes son: Aceros al carbono, aleados, inoxidables, de alta dureza, aluminio, titanio, cobre y latón, y aleaciones refractarias que contienen cobalto, níquel o molibdeno.
    • Cada aleación tiene diferentes propiedades, niveles de resistencia y peso, características específicas, determinadas por el usuario para un mejor uso.
  • 14. Consideraciones Generales
    • Grandes Cargas.
    • Grandes esfuerzos para deformación .
    • Altas temperaturas y cargas de impacto.
    • Largas vidas de servicio del equipo (>20 años).
    • La Fatiga no es un problema común en las prensas.
    • Los sistemas CAD han generado avances significativos en las máquinas y en el diseño de herramientas.
  • 15. Operaciones de Forja
  • 16. Características de los Procesos de Forja
    • Dado abierto Simples, baratos, útiles para pequeñas cantidades, amplia variedad de tamaños, buena resistencia.
    • Dado cerrado Mejor Aprovechamiento del material, mejores propiedades que los dados abiertos, buena precisión dimensional, alta velocidad de producción, y buen acabado.
    • D. impresión Bajo costo, alta velocidad de producción.
  • 17. Forja dados abiertos
  • 18. Forja dados abiertos
  • 19. Forja en dados abiertos
  • 20. Forja en dados abiertos
  • 21. Forja
  • 22. Forja en dados abiertos
  • 23. Forja de anillos
  • 24. Forja de anillos
  • 25. Forja de Anillos
  • 26. Equipos de Forja
  • 27. Forja en Martillos Dados abiertos y Cerrados
  • 28. Forja en Prensas
  • 29.
    • Se llama dados abiertos por que el material no esta confinado lateralmente, se hace generalmente entre dados planos permitiendo un amplio rango de formas y tamaños. Si se desea una pieza con excelente integridad estructural y es de gran tamaño, lo más apropiado es forja en dados abiertos. El tamaño de la pieza sólo esta limitado por el tamaño del lingote o tocho inicial.
    Forja en dados abiertos
  • 30. Forja en dados abiertos 4. Se tornea a la forma final. 3. Forjado progresivo 2. Se forja en dado abierto 1. Se sujeta el tocho con las tenazas. Ejes 4. Troquelado 3. Forjado progresivo hasta las dimensiones del disco 2. Forja inicial 1. Tocho inicial                                                                    Discos
  • 31. Forja en Dados abiertos
  • 32. Forja en dados abiertos 2.Reducción progresiva del diámetro exterior e incremento de la longitud del tubo (diámetro interior constante). 1. Perforación del cilindro.                                               Tubos Mecánicos 4. Aproximación a la forma final. 3. Se incrementa el diámetro del anillo. 2. Se reduce el espesor 1. Montado de material.                                                                 Anillos
  • 33. Forja en dados abiertos Anillos
  • 34. Capacidades del Proceso
    • Prácticamente todos los materiales ferrosos y no ferrosos son forjables, incluyendo algunos materiales exóticos como superaleaciones endurecidos por envejecimiento y aleaciones refractarias resistentes a la corrosión.
    • Su capacidad se mide en el tamaño del área proyectada y se pueden producir formas redondas, cuadradas, hexagonales y otras.
  • 35. Forja en dados abiertos
    • Conjuntos de herramientas para forja en dados abiertos
  • 36. Capacidades del Proceso
    • Ejes sólidos con diferentes diámetros, que se incrementan o disminuyen a lo largo de su longitud.
    • Formas cilíndricas huecas, con longitudes más grandes que el diámetro, con variaciones en el espesor de pared y/o cambios en diámetro exterior o interior.
    • Piezas en forma de anillos o arandelas unidos a cilindros, con diferentes relaciones de altura/espesor.
  • 37. Forja en Dados abiertos
  • 38. Capacidades del Proceso
    • Cuerpos de maquinaria en forma de recipientes de presión que tienen boquillas y otras salientes.
    • Pueden combinarse diferentes operaciones sucesivas de forja, en una secuencia de dados abiertos, para producir la forma requerida.
  • 39. Forja en dados abiertos
  • 40. Forja en dados cerrados
  • 41. Forja en dados de impresión (cerrados)
    • La forja en dados de impresión 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 pequeñas pueden forjarse en “frío”.
  • 42. Forja en dados cerrados
    • Herramientas para forja en dados cerrados
  • 43. Forja en dados cerrados
  • 44. Capacidades del Proceso
    • A la forja de impresión, comúnmente se llama “forja en dados cerrados ”.
    • Produce una variedad ilímitada de formas en 3-D, (desde unos gramos hasta piezas de más de 25 tons.).
    • Se usan prensas hidraúlicas, mecánicas y martillos, con capacidades por arriba de 50,000 tons, 20,000 tons y 50,000 lbs. respectivamente.
  • 45. Forja en dados cerrados
  • 46. Forja en dados cerrados
  • 47. Forja en Dados cerrados
  • 48. Piezas forjadas en dados cerrados Mango forjado con dado de impresión (izq), con operaciones de maquinado, y producto terminado (der). Rebaba (Flash) después de la operación de corte de las mordaza móvil .
  • 49. Capacidades del Proceso
    • Dos o más dados forman la cavidad de impresión de la pieza que al cerrarse deforman plásticamente al material .
    • El material fluye, restringido por el contorno del dado, y se forman piezas muy complejas y de tolerancias más cerradas que con una forja en dados abiertos.
    • Se tiene amplia flexibilidad de formar piezas simétricas y no simétricas, que son posibles por los diversas operaciones de preformado (a veces de doblado) previos al forjado en dados de acabado.
  • 50. Forja en dados cerrados
  • 51. Forja
    • Gancho de acero AISI-4140 Forjado.
    • Se muestra las líneas de flujo (Textura) resultado del forjado.
  • 52. Forja en dados cerrados
  • 53. Capacidades del Proceso
    • Las geometrías van desde sencillas como las esféricas, sólidos rectangulares o en forma de disco hasta las más complejas con secciones delgadas y largas que tienen nervaduras.
    • Muchas piezas son simétricas y otras tienen varios elementos de diseño (perforaciones, bordes, cavidades, etc.) que combinados hacen que las piezas forjadas sean asimétricas.
    • Adicionalmente las piezas se pueden doblar en uno o varios planos, y pueden ser longitudinales, equi-dimensionales o planas.
  • 54. Forja en dados cerrados
    • Forjado de una cavidad en un billet cilíndrico mostrando las líneas de flujo.
  • 55. Piezas por forja en dados cerrados
  • 56. Capacidades del Proceso
    • Los metales señalados, normalmente se pueden forjar mediante dados de impresión pero materiales sensibles a la temperatura y velocidad de deformación como el magnesio, aleaciones base níquel, 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 .
  • 57. Aplicaciones de la forja de impresión
    • Aeroespacial
    • Implantes Médicos
    • Rines Deportivos
  • 58. Forja en dados de impresión
    • Se produce una línea de partición en la pieza y rebaba que deberá removerse.
    • Generalmente requieren operaciones de maquinado para obtener buena precisión dimensional y buen acabado superficial.
  • 59. Forja en dados cerrados
  • 60. Diseño de dados
    • Los dados se hacen de aceros para herramienta, forjados y tratados o endurecidos.
    • Deben soportar altos impactos.
    • Deben resistir termofluencia y oxidación.
    • Son factores que limitan la forja.
    • “ La vida del dado es la llave al éxito del forjado en caliente”
    • Vida 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.
  • 61. Forja en dados cerrados
  • 62. Dados abiertos y cerrados
  • 63. Forja en dados cerrados
  • 64. Forja en dados cerrados
  • 65. Forja de Recalcado
    • 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.
    • Puede usarse una secuencia de dados en forma de cavidad para que la pieza adquiera la forma final gradualmente. Éste es un proceso de formado puede realizarse en frío.
  • 66. Forja de Recalcado
  • 67. Forja de Recalcado
  • 68. Características del Proceso
    • Incrementa el diámetro sólo en un extremo, comprimiendo su longitud.
    • El diámetro 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 punzón, en el dado de sujeción o en ambos.
    • Generalmente no se requiere de rebabeo.
    • Puede realizarse en frío en materiales dúctiles.
  • 69. Forja de Recalcado
  • 70. Forja en Frío
    • Muchas forjas se hacen en caliente, a temperaturas superiores a 1250° C. Pero la forja de impresión se puede realizar en frío.
    • La forja en frío o recalcado o acuñado el material se deforma a bajas temperaturas .
    • La temperatura va desde temperatura ambiente hasta varios cientos de grados.
  • 71. Forja en Frío
    • La extrusión directa reduce el diámetro del tocho e incrementa su longitud para producir piezas como ejes y cilindros. Y en la extrusión inversa el material fluye hacia atrás y alrededor del punzón para formar piezas en forma de copa.
    • El recalcado o cabeceado es una técnica común para hacer tornillos, pernos e incrementar el diámetro a lo largo de la longitud de la pieza.
  • 72. 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.
  • 73. Forja en Frío La Forja en Frío puede producir piezas con una mínima cantidad de rebaba.
  • 74. Pasos de forja en frío
  • 75. Recalcado en Frío
  • 76. Producción de pernos forjados en frío
  • 77. Acuñado
    • Uso para producir monedas, medallones y joyería.
    • Se puede usar Lubricación.
    • Puede usarse para mejorar el acabado.
    • Proceso de Forja en Dados Cerrados.
  • 78. Forja Rotativa
  • 79. Tipos de Máquinas
    • Prensas
    • Las más comunes son hidráulicas.
    • Las otras son mecánicas y de tornillo.
    • Se caracterizan por su capacidad de prensado.
    • Las más lentas se usan para piezas complejas.
    • Martillos
    • Incluyen las de caída libre, potencia y doble impacto.
    • Apropiados para piezas pequeñas.
    • Se clasifican por la energía liberada al dado.
  • 80. VENTAJAS
  • 81. Prensas Hidráulicas Sources: www.lasco.com , www.schultzsteel.com 2,000 ton press
  • 82. Martillos Source: Ceco drop forges
  • 83. Velocidades de Forja
    • Equipo m/s .
    • Prensa Hidráulica 0.06-0.30
    • Prensa Mecánica 0.06-1.50
    • Prensa de Tornillo 0.6-1.2
    • Martillo de Caída libre 3.6-4.8
    • Martillo de Potencia 3.0-9.0
    • Martillo de Doble Impacto 4.5-9.0
    •  
  • 84. Prensas Hidráulicas
    • La deflexión en la parte superior del marco se disminuye.
    • Inversión inicial alta, pero de fácil mantenimiento.
    • Se pueden generar fuerzas de hasta 80,000 tons.
    • La lenta velocidad de forja causa calentamiento en los dados.
    • ¿Qué tanta deflexión?
      •  = FL 3
      • 48EI
      • If  =.1”, L=8 ft.,
      • E=60,000psi
      • I=492 E6 in 4
  • 85. Prensas Hidráulicas Sources: www.lasco.com , www.schultzsteel.com 2,000 ton press
  • 86. Prensas Mecánicas
    • La 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.
  • 87. Prensas Mecánicas
    • El husillo debe resistir pandeo y fatiga.
    • Capacidades máximas hasta 32,000 tons.
    • El marco de carga debe resistir grandes momentos torsionales.
  • 88. Martillos
    • Más baratos que las prensas hidráulicas.
    • Mantenimiento más difícil.
    • No existen grandes deflexiones.
    • Rango de capacidades de 900,000 ft-lb.
  • 89. Martillos Source: Ceco drop forges
  • 90. Costos de Forja
    • El diseño de maquinaria especial puede costar millones de dólares.
    • Los dados pueden fabricarse en la empresa y los costos dependen del tamaño, material y tratamiento térmico.
    • $30,000 US para un martillo pequeño y usado.
    • Las ventas de piezas forjadas están por arriba de 90,000 millones de dólares en EU.
  • 91. Futuro de la Forja
    • Forja Isotérmica
    • 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 precisión y martillos de alta capacidad.
    • Se emplea en piezas donde las propiedades son muy importantes.
  • 92. Conclusiones
    • La forja es un proceso antiguo, pero el CAD y el método de análisis por elemento Finito ha mejorado los diseños.
    • Los dados son las piezas más importantes de una máquina de forja.
    • La forja isotérmica y sin rebaba, son los avances en la forja para la eliminación de procesos secundarios.