El Proceso de Forja en Caliente

Transcripción

16/05/2016
Forja
Básico
Grupo de trabajo:
Bonnemezón
Martinez Krahmer
Abate
3
Martynenko
Riu
1
Mecánica
Elaboración del libro
“PRACTICA INDUSTRIAL DE LA
FORJA EN CALIENTE”
2
“Módulo de forja básico” INTI - IAEA
1
16/05/2016
“El Proceso de Forja en Caliente”
Alcance de la actividad:
• Presentaremos el estado de la forja en
caliente en Argentina.
• Nos centraremos en el forjado de acero.
• Comentaremos algunas de las tendencias
tecnológicas en el mundo.
3
El Proceso de Forja en Caliente: Definición
• Se trata de un proceso de fabricación
intermedio, que tiene por objeto conformar una
geometría próxima a la pieza final, que se
obtendrá por mecanizado.
• Su empleo tiene particular importancia cuando
se trata de una pieza de seguridad, ya sea
para el sector automotriz, ferroviario, minero, o
petrolero.
• El proceso de forjado se realiza en caliente,
para facilitar la fluidez del material a conformar.
4
2
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Cuando se estudia el comportamiento mecánico
de los metales a los efectos de su conformado
plástico, interesan dos características:
• La Ductilidad / Plasticidad, que es la
propiedad que tienen los metales de
deformarse sin romperse;
• La Resistencia a la deformación, necesaria
para calcular las fuerzas que se ponen en
juego para realizar una determinada operación.
5
Respecto de la Ductilidad:
• En el conformado en frío, el metal se
endurece en forma progresiva y
permanente a medida que aumenta la
deformación.
• Por este motivo se fragiliza, no
pudiendo alcanzar grandes
deformaciones (ductilidad reducida).
• Solución: usar recocidos intermedios.
6
3
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Respecto de la Ductilidad:
• En el conformado en caliente, en forma
simultánea con la deformación, se
produce la recuperación y recristalización
del material.
• Por este motivo el material no endurece,
dado que la ductilidad es casi ilimitada,
pudiéndose así alcanzar grandes
deformaciones.
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Respecto de la Resistencia a la deformación:
• Para la resolución de problemas de plasticidad, es útil
establecer funciones para la relación entre la
resistencia a la deformación (f) y el grado de
deformación (φ), es decir, f = f (φ), y φ=ln(h/h0)
• En los trabajos de forjado, se toma como referencia
experimental un ensayo de compresión.
• En la zona elástica es válida la ley de Hooke.
• Para la parte plástica uno de los modelos más
utilizados es el de Hollomon.
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Diagrama del ensayo de compresión de un acero bajo carbono:
• Como todo material muy plástico, no tiene un límite de rotura
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definido.
Respecto de la Resistencia a la deformación:
 f  c n  f (;´;temperatura; material )
En donde:
f = resistencia a la deformación;
c = constante que depende del material;
φ = grado de deformación (forjabilidad);
n = endurecimiento;
´= velocidad de deformación.
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5
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Respecto de la Resistencia a la
deformación:
• La velocidad de deformación casi NO
influye en el conformado en frío.
• En cambio, en el trabajado en caliente, si
lo hace, y su influencia es mayor a medida
que aumenta la temperatura.
• A mayor velocidad, el material opone más
resistencia para ser deformado.
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El Proceso de Forja en Caliente: Constantes de la
curva resistencia vs grado de deformación
Material
c (kg/mm2)
n
SAE 1010
70
0,20
SAE 1112
77
0,19
SAE 4135
103
0,17
Al 6961
21
0,20
Cobre
32
0,54
Latón 70/30
91
0,49
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El Proceso de Forja en Caliente:
Definición
Respecto del Grado de deformación:
• Se lo puede designar indistintamente como: grado
de compactación; relación de recalcado;
deformación natural; o deformación logarítmica.
• ¡Cuidado!: es un concepto teórico, que se define
en relación a un ensayo de compresión en forja
libre.
• Está representado por un valor numérico que
surge al dividir la medida de la probeta que va a
disminuir (alto), sobre aquella que va a aumentar
(ancho o diámetro).
• El valor mínimo recomendable para alcanzar una
mejora de las propiedades mecánicas por forjado
es del 30%.
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El Proceso de Forja en Caliente: Resistencia a la deformación,
forjabilidad y cascarilla vs temperatura y material
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7
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Resistencia a la deformación vs material,
temperatura y forjabilidad
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Forjabilidad y fuerza de forjado para
distintos materiales
Si consideramos
una flecha
arrancando en el
vértice derecho
inferior y
finalizando en el
izquierdo superior,
podremos observar
un sentido referido
a los materiales en
que disminuyen los
esfuerzos y
aumenta la
forjabilidad.
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Resistencia a la deformación
En resumen, la resistencia a la deformación:
• Disminuye con la temperatura;
• Aumenta con la velocidad de deformación (casi
nada en frío);
• Aumenta con el porcentaje de carbono del acero;
• Es poco sensible al grado de deformación.
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El Proceso de Forja en Caliente: Concepto
• A partir del plano de forja se calcula el peso del material de partida. Se
agrega un porcentaje para la rebaba.
• La rebaba es un exceso de material necesario para poder llenar la matriz.
• A formas más complejas, se requiere un mayor porcentaje.
• La rebaba promedio en las forjas argentinas es del 17%.
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El Proceso de Forja en Caliente: Concepto
• Se corta un material de geometría muy simple (barra de sección circular o
cuadrada), con el peso de corte.
• Se calienta el material a la temperatura de forja.
• Se realiza el conformado en varios pasos.
• Se recorta el exceso perimetral de material (rebaba), por rebabado. 19
Concepto
• Proceso completo de forjado en caliente de un cigüeñal:
corte, repartidor, preforma, final, y rebabado.
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El Proceso de Forja en Caliente: Ventajas
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Una pieza forjada en servicio, posee mayor resistencia a las
solicitaciones dinámicas (criterio de seguridad);
Produce una estructura fibrosa, por alineación de las
inclusiones, generando un incremento probado de la
resistencia a la fatiga de hasta un 100% respecto de una
pieza mecanizada;
Reduce el tamaño de grano desde la condición de fundido,
incrementando la tenacidad;
Posee menor peso a igualdad de resistencia mecánica;
Se puede realizar la pieza en su forma casi definitiva;
Menor tiempo de mecanizado en las máquinas-herramienta;
Menor consumo de herramientas, dado que se remueve
poco material;
Mayor facilidad de emplazamiento en los dispositivos, por
presentar formas más precisas y constancia en sus medidas.
Menor costo de producción.
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Pieza mecanizada
Ventajas
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Pieza mecanizada
Material de partida
Orientación de fibras del
material laminado en caliente
Orientación de fibras de la
pieza mecanizada
Material extraído por mecanizado
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Pieza forjada:
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Disposición del fibrado
• Veamos como una pieza tipo válvula puede
forjarse de dos maneras, o mecanizarse a partir de
una barra laminada, y como estos procesos
influyen sobre la resistencia a la fatiga de la pieza
en cuestión.
25
• En la figura se
muestran dos
posibles posiciones
para el tocho a
conformar.
• Posición inadecuada
(izquierda).
• Posición correcta
(derecha).
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Fibrado paralelo a la
dirección ppal de forja
Pieza mecanizada a partir de
barra laminada
Fibrado perpendicular a la
dirección ppal de forja
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El Proceso de Forja en
Caliente: Disposición del
fibrado
Caso A: Fibrado paralelo a
la dirección ppal de forja
Caso B: Fibrado
perpendicular a la dirección
ppal de forja
Caso C: Pieza mecanizada a
partir de barra laminada
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Disposición del
fibrado
Resultados del ensayo de fatiga de
flexo-torsión con 500N
Fibrado tipo
N° Ciclos
A
24400
B
10500
C
11400
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El Proceso de Forja en Caliente: ¿Donde se usan
piezas forjadas?
En motores de
combustión interna
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El Proceso de Forja en Caliente: ¿Donde se
usan piezas forjadas?
En sistemas de trasmisión de autos, camiones, etc.
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El Proceso de Forja en Caliente: ¿Donde
se usan piezas forjadas?
En sistemas de
suspensión tienen
una alta demanda
dadas las
necesidades de
resistencia a la fatiga,
construcción liviana, y
producción
económica.
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En los sistemas de
suspensión de
camiones, dadas las
elevadas
exigencias, la
utilización de
componentes
forjados mejoran la
seguridad.
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Los sistemas cardánicos que tienen que trasmitir
elevados torques, y ser libres de mantenimiento.
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En maquinarias
destinadas al
trabajo vial o
minero, con piezas
sometidas a
exigentes
operaciones de
carga y desgaste.
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Los componentes
forjados aseguran
una larga vida útil,
además de verificar
con las altas
exigencias a que
son sometidos en
equipos
ferroviarios.
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• En máquinas
agrícolas se
utilizan ruedas
dentadas, piñones,
coronas, barras de
mando, masas de
ruedas, palieres,
ejes, brazos de
dirección, bielas,
puntas de ejes,
horquillas.
• Todas ellas son
piezas sometidas a
elevadas
exigencias
mecánicas.
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Las válvulas que se
utilizan para
conducir fluidos de
distintos tipos,
están sometidas a
exigentes
condiciones de
desgaste y
corrosión.
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Componentes médicos (prótesis femorales), y
de turbinas.
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El Proceso de Forja en Caliente: La forja
en el mundo
Valores expresados en miles de
toneladas
Argentina produce unas 60/año
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Clasificación
• Forjado en caliente: la temperatura de forja es superior a la de
recristalización.
• Forjado en tibio: la temperatura de forja es inferior a la de
recristalización.
• Forjado en “frío”: cuando el proceso se efectúa a temperatura
ambiente.
• Forjado semisólido o tixoconformado: cuando el proceso se
hace con el material en estado “pastoso” (zona comprendida
entre liquidus-solidus del diagrama de fase correspondiente).
Tipo de
proceso
Presición
dimensional
Mejor
Rugosidad
Dificultad
geométrica
Tamaño
Esfuerzo
necesario
Frío
Tibio
+++
++
+++
++
+
++
+
++
+++
++
Caliente
+
+
+++
+++
+
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Temperatura de recristalización
Forja en
caliente
Forja en
tibio
Forja en
frío
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Variaciones de las propiedades
mecánicas del material
Conformación en caliente
Conformación en frío
•No sufre variaciones
apreciables en sus
propiedades mecánicas,
desde el material de
partida, hasta la pieza
forjada acabada.
•Las características de
calidad de los materiales
de partida mejoran con la
conformación (fibrado).
•Provoca variaciones considerables.
•Aumentan la fluencia y la
resistencia a la tracción. Disminuyen
el alargamiento y la estricción.
•El incremento de la resistencia
permite usar aceros de bajo carbono
(económicos), obteniendo similares
valores de aceros aleados.
•El aumento de las PM dependerá
del grado de deformación, por lo que
no puede darse una norma general.
•Hay que comprobar en cada caso
las PM obtenibles.
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A modo de ejemplo: Forja en frío
video
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Temperatura en º C
Materiales y temperatura
Zona de conformación en caliente
Contenido de carbono en %
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Clasificación: Más información
Tipo de
proceso
Presición
dimensional
IT
Rugosidad
Media
Aritmética
Ra (m)
Frío
8 – 11
1–4
Tibio
11 – 14
3 – 20
Caliente
13 – 16
7 - 30
Dificultad
geométrica o
grado de
complejidad
Hay 3 criterios
indicados a
continuación
(Smeral,
CAFOR, y
ABM). Piezas
finas y con
cambios
importantes
de sección
peor
Peso (kg)
Resistencia
a la
deformación
(%)
0,001 –
30
100
0,001 –
50
30 – 50
0,05 1500
20 – 30
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Grado de
complejidad
Forma típica
Comentario
I
Partes simples y
compactas
II
Piezas compactas no
intrincadas
III
Partes con un alto grado
de deformación
IV
Piezas tipo horquilla
V
Partes con pequeños
espesores y transiciones
VI
Piezas con secciones
extremadamente finas
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La complejidad de la pieza resulta del
coeficiente S que relaciona el volumen
de la pieza forjada dividido por el
volumen del material de partida.
Este coeficiente será un número
siempre menor que 1 considerando
más dificultosa la pieza, cuyo
coeficiente sea menor.
Al efecto se establecen cuatro (4)
coeficientes:
S4: hasta e incluyendo 0,16
S3: superior 0,16 e incluyendo 0,32
S2: superior 0,32 e incluyendo 0,63
S1: superior 0,63 hasta e incluyendo 1.
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Materiales
• Nos referiremos con exclusividad a los aceros.
• El hierro es el segundo elemento de mayor existencia en
la naturaleza (en forma de óxidos), luego del Aluminio.
• Puede ser procesado de una manera relativamente
sencilla y económica.
• Con una sola composición química, aplicando
tratamientos térmicos, pueden obtenerse un importante
abanico de propiedades mecánicas, como si se tratara
de varios materiales en uno.
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Materiales
Según datos de la consultora de ingeniería
Hirschvogel, en la industria automotriz
alemana el 96% de las piezas forjadas son de
acero, y el resto son mayoritariamente de
aluminio.
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Materiales
• El grupo principal de aceros forjables = aceros de
construcción (%C<0,65).
• Se dividen en 1) Cementables (%C<0,25) y
2) Bonificables (%C>0,25).
• Pueden ser al carbono o aleados.
• Las temperaturas de forja están en el rango de
los 830ºC a los 1270ºC, según sea la
composición química.
• A mayor %C, menor temperatura, tal como se
desprende del diagrama de hierro-carbono.
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Materiales, Su designación
Clasificación
Tipo
Designación
Aceros al carbono
De bajo y medio manganeso
10XX
Cromo - Molibdeno
41XX
Cromo - Molibdeno
42XX
Níquel – Cromo - Molibdeno
43XX
Níquel - Molibdeno
46XX
Cromo
51XX
86XX
Silicio – Manganeso
92XX
98XX
Al Cromo con Plomo
51LXX
Aceros aleados
Aceros al carbono y
aleados
55
Materiales, Composición y temperatura
de forja de aceros al carbono
Denominación
%C
%Si
%Mn
Rango temperatura
de forja (ºC)
SAE 1020 / DIN
C22
0,18 a 0,23
0,15 a 0,30
0,30 a 0,60
1270 a 1000
SAE 1022
0,18 a 0,23
0,15 a 0,30
0,70 a 1,00
1270 a 1000
SAE 1026
0,22 a 0,28
0,15 a 0,30
0,60 a 0,90
1270 a 1000
SAE 1038
0,35 a 0,42
0,10 a 0,30
0,60 a 0,90
1250 a 1000
SAE 1040 / DIN
C40
0,37 a 0,44
0,15 a 0,30
0,60 a 0,90
1250 a 1000
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Materiales, Composición y temperatura
de forja de aceros aleados
Denominación
%C
%Mn
%Cr
%Ni
%Mo
Rango
temperatura de
forja (ºC)
SAE 4130 / DIN
26CrMo4
0,28 a
0,33
0,40 a
0,60
0,80 a
1,10
---
0,15 a
0,25
1200 a 880
SAE 4140
0,38 a
0,43
0,75 a
1,00
0,80 a
1,10
---
0,15 a
0,25
1050 a 850
DIN 18NiCrMo7 /
SAE 4317
0,15 a
0,20
0,45 a
0,65
0,40 a
0,60
1,65 a
2,00
0,20 a
0,30
1230 a 1065
SAE 4620
0,17 a
0,22
0,45 a
0,65
---
1,65 a
2,00
0,20 a
0,30
1200 a 830
DIN 20MnCr5 /
SAE 5120
0,17 a
0,22
0,70 a
0,90
0,70 a
0,90
---
---
1200 a 870
0,38 a
0,43
0,70 a
0,90
0,70 a
0,90
---
---
1200 a 900
SAE 5140 /
41Cr4
DIN
SAE 51L40
Idem anterior con agregado de plomo para mejorar maquinabilidad
57
El Proceso de Forja en Caliente: Materiales, Composición y
temperatura de forja de aceros aleados
Denominación
%C
%Mn
%Cr
%Ni
%Mo
Rango
temperatura
de forja (ºC)
SAE 5160
0,56 a
0,64
0,70 a
0,90
0,70 a
0,90
---
---
1200 a 900
SAE 8620 /
DIN 21NiCrMo2
0,18
0,70
0,40
0,40
0,15
1100 a 850
SAE 8640
0,38 a
0,43
0,75 a
1,00
0,40 a
0,60
0,40 a
0,70
0,15 a
0,25
1150 a 850
SAE 9260 (**)
0,56 a
0,64
0,70 a
0,90
---
---
---
1200 a 900
DIN 19MnCr5 /
SAE 5120
0,16
0,21
1,00 a
1,30
0,80 a
1,10
---
---
1150 a 900
DIN 17NiCrMo7 /
SAE 4320
0,15 a
0,20
0,45 a
0,65
0,40 a
0,60
1,65 a
2,00
0,20 a
0,30
1150 a 900
DIN 20NiCrMo5 /
SAE 8620
0,18 a
0,23
0,70 a
0,90
0,40 a
0,60
0,40 a
0,70
0,15 a
0,25
1100 a 900
58
29
16/05/2016
Materiales, Sector Petrolero
Tipo de pieza
Aplicación
Material:
denominación SAE
Tubing
Pozo
1020
Caños con cuplas
Conducción
1020
Trépano
Perforación
4140
Válvulas bombas de
lodo
Limpieza de perforaciones
8620
Mandriles para
inyección
Recuperación secundaria
4130
Mandriles para
inyección
Recuperación secundaria
316
Pistones
Para bombas
8620
Varillas de bombeo
Extracción
4140
Varillas de bombeo
Extracción
8640
Cuerpo de válvulas
Conducción
1022
Bonetes / Bridas
Conducción
1022
59
Materiales, Sector Minero
Tipo de pieza
Aplicación
Material:
denominación SAE
Perno cabeza oval
Molinos
1040
Punta de barra
Perforación
4140
Bolas
Molinos cementeros
4140
Bolas
Molinos mineros
1080 - 1090
60
30
16/05/2016
Materiales, Sector Ferroviario
Tipo de pieza
Aplicación
Material:
denominación SAE
Ganchos
Tracción
4140
Resortes
Suspensión
9260
Paragolpes
Seguridad
1038
Clepes elásticos
Fijación de vías
5160
Clepes elásticos
Fijación de vías
9260
Tirafondos
Fijación de vías
1026
Tirafondos
Fijación de vías
1038
Eclisas
Unión de rieles
1026
Bulonería en general
Unión de rieles
1038
61
Forja en Caliente: Materiales, Sector Automotriz
Tipo de pieza
Aplicación
Material: denominación SAE y
otras Normas
Engranajes
Caja de velocidad camión
8620 – 8620H
Directas / Eje ppal
Caja de velocidad camión
4620 H
Engranajes / Directa / Eje
principal
Caja de velocidad camión / autos
5120 – DIN 20MnCr5
Planetarios / Satélite /
Solares
Diferencial de tractor
4317 - DIN 18NiCrMo5
Bielas
Motor de auto
1038
Bielas
Motor de auto
1040 – UNI C40
Bielas
Motor de auto / camión
8640 H
Bielas
Camión
51L40
Extremos de dirección
Tren delantero auto / camión
1038
Brazos de suspensión
1040 – UNI C40
Brazos de suspensión
1038 – AFNOR XC38
Puntas de ejes
1038
Puntas de ejes
1041 H
Puntas de ejes
Tren delantero auto / camión / tractor
AFNOR 18CD4
Horquillas cardánicas
Auto / camión / tractor
1038
5140
8640
Cigüeñales
1041 H
62
31
16/05/2016
Materiales, temperatura y dimensiones
• Es conveniente iniciar la forja con el material caliente a la
máxima temperatura, y terminar el proceso antes de
alcanzar la mínima del rango.
• En Argentina se emplean alrededor de 25 aceros.
• Con respecto a las medidas empleadas, varían de
acuerdo con la pieza y el método utilizado.
• Pueden ser barras redondas de 25,4mm a 100mm de
diámetro, y palanquillas de 50,8mm a 127mm por lado.
• En el sector petrolero, los materiales pueden tener
dimensiones mayores, por el gran tamaño de sus piezas.
63
“Fases”
Material
Corte
Calentamiento
Forja
Tratamiento
térmico
Granallado
Acuñado
Rebabado
64
32
16/05/2016
Depósito de material e identificación
Tarjetas de identificación
de materia prima
65
Depósito de material e
identificación
• Detalle de la identificación
del material en el depósito
de materia prima.
• Los paquetes son
aproximadamente de 2000
kg.
• Las barras de 3m NO
interesan a los forjadores
porque aumentan el scrap,
y el tiempo de preparación.
• Un camión puede
transportar entre 20t a 25t.
66
33
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
“CORTE”
• Proceso de cizallado en frío.
• Corte en frío con buje sostén (cropping).
• Proceso de cizallado en caliente.
• Proceso de aserrado.
67
El Proceso de Forja en Caliente: “Corte”
Video
68
34
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
Algunos criterios para seleccionar el sistema de corte
Criterio
Corte en frío
Corte en caliente
Aserrado
Cantidad de cortes
Alta
Alta
Pequeñas
Pérdida de material
No
No
Si (viruta)
Proceso
Discontinuo
Continuo (*)
Discontinuo
Método
calentamiento
No aplicable
Inducción
No aplicable
Materiales
De poca
resistencia
Alta resistencia
Alta resistencia
Tamaño de barra
Mediano
Grande
Muy grande
Precisión
Muy buena
Buena
Excelente
Depósito de trozos
cortados
Si
No
Si
69
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
• Cizalla de corte en frío:
Características técnicas:
• Fuerza de corte :
– 315 a 1000t,
• Aceros de hasta
– R = 90kg/mm2,
Prensa
barra
• Redondos de hasta
– 110mm,
Sistema de alimentación
• Palanquillas de hasta
– 100mm por lado.
70
35
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
Cizalla de corte en frío:
Volante
Servo para
regulación
del tope
Tope de regulación
del largo a cortar
71
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
La forma de la cuchilla de corte depende del tipo de barra a cortar:
1. Barra redonda (izquierda),
2. Palanquilla (centro), y
3. Barra rectangular (planchuela).
Cuanto más se parece la cuchilla en su medida, a la de la barra a
cortar, MEJOR.
72
36
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
• Cortadora de última generación modelo Caddy de la firma Ficep.
• Sistema de control de escuadra y acomodamiento hidráulico de barra.
• Puede cortar redondos y cuadrados de hasta 160mm.
73
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
Matriz
soporte
Cuchilla
circular
Fractura
• Sistema de corte con buje sostén: permite alcanzar una mayor
precisión en la superficie cortada.
74
37
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
Aserrado por sierra cinta:
• Sistema de alimentación de barra, y tope para regulación de largo.
• Con capacidad de corte de hasta 330mm de lado.
75
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
Aserrado por sierra de disco:
•
•
•
•
•
•
Filos cortantes de metal duro. Espesor mínimo de corte de 2,2mm.
Competitiva en velocidad respecto de las cizallas.
Genera un corte en escuadra.
Trabaja el corte en forma discontinua, para descargar la viruta y enfriar la herramienta
Los insertos pueden ser reafilados, en sucesivas ocasiones.
Capacidad de corte de hasta 360mm.
76
38
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Video
Corte
“Corte”
77
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Video
Acuñado
Acuñado
“Corte”
78
39
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Forja
Tiempo de
corte (s)
Rebabado
Granallado
Acuñado
 de disco = 360 mm, Velocidad de corte = 140 m/min (125rpm)
Cortadora Ficep S35
 (mm)
L a cortar
(mm)
Z
az
(mm/v)
Tiempo por
pieza (s)
Piezas/h
Piezas
netas
Scrap
(%)
Piezas
por disco
Vida
útil (h)
25
100
120
0,08
25
400
120
0,08
1,3
7,8
462
360
2,6
91673
32,1
1,3
10,8
333
260
0,7
91673
30
100
120
32,1
0,1
1,2
7,7
468
365
2,6
63662
30
400
21,4
120
0,1
1,2
10,7
336
262
0,7
63662
40
21,4
100
100
0,1
1,9
8,4
429
334
2,6
35810
19,3
40
400
100
0,1
1,9
11,4
316
246
0,7
35810
19,3
50
100
80
0,1
3,0
9,5
379
296
2,6
22918
19,3
50
400
80
0,1
3,0
12,5
288
225
0,7
22918
19,3
60
100
80
0,1
3,6
10,1
356
278
2,6
15915
16,0
60
400
80
0,1
3,6
13,1
275
214
0,7
15915
16,0
70
100
60
0,1
5,6
12,2
295
230
2,6
11693
18,3
70
400
60
0,1
5,6
15,2
237
185
0,7
11693
18,3
80
100
60
0,1
6,5
13
277
216
2,6
8952
16,0
80
400
60
0,1
6,5
16
225
176
0,7
8952
16,0
90
100
60
0,1
7,3
13,8
261
203
2,6
7074
14,3
90
400
60
0,1
7,3
16,8
214
167
0,7
7074
14,3
100
100
60
0,1
8,1
14,6
247
192
2,6
5730
12,8
100
400
60
0,1
8,1
17,6
205
160
0,7
5730
12,8
110
100
60
0,1
8,9
15,4
234
182
2,6
4735
11,7
79
110
400
60
0,1
8,9
18,4
196
153
0,7
4735
11,7
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
Algunos comentarios sobre los sistemas de
corte por sierra de disco:
• En Argentina se usan estas cortadoras en
procesos de forjado de precisión.
• Se habla de un rendimiento del disco en m2
cortados, por ejemplo de 8m2, para cortar barras
de 40mm de diámetro.
• Este valor corresponde a unos 6360 cortes.
• Desalineaciones o vibraciones durante el corte,
pueden promover la rotura de un disco en sólo 30
minutos de uso.
• El scrap de corte mínimo es de 0,7%.
80
40
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
El Proceso de Forja en Caliente: “Corte”,
Almacenamiento de tochos
• Los trozos cortados se
almacenan en los
capachos, a la espera
de ser forjados.
81
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
Almacenamiento de tochos
• Capachos de “frío”: arriba, tanto para
tochos cortados a la espera de ser
forjados, como piezas terminadas.
• Capachos de “caliente”: abajo, para
piezas recién terminadas de forjar.
82
41
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
Algunos datos más
• Altan recomienda los siguientes juegos para el
corte en frío:
- Aceros blandos: 5 -10% diámetro barra.
- Aceros duros: 3 - 5%.
- Aceros frágiles: 1 – 3%.
• Un rechazo en el corte de 1% o menor, es
considerado normal.
• Juegos excesivos producen superficies de fractura
muy rugosas, en tanto que juegos pequeños
ocasionan la fractura total de la sección de corte.
83
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
“Defectos de Corte”
•
•
•
•
•
•
•
Corte en ángulo
Rebabas.
Fisuras.
Sección
Fracturas.
deformada
Corte en ángulo
Sección deformada
Diferencias de pesos entre los cortes.
Superficie ondulada / con estrías (con sierra).
84
42
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
“Sistemas de calentamiento”
• Hornos de mufla a gas.
• De solera rotativa.
• De inducción.
• “Todos los hornos se escogen grandes,
para tener en cuenta los cambios del
programa de fabricación”.
85
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
Sistemas de calentamiento
• Horno de mufla: son muy oxidantes.
• El primer trozo extraído tiene poca cascarilla, y mucha
el último: Proceso inhomogéneo.
86
43
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
Horno de solera rotativo:
- Limitan la exposición al calor;
- Todos los trozos permanecen
el mismo tiempo en su interior;
- Reducción de la cascarilla
sobre la superficie del material
a forjar;
- En Argentina los tiene Siderca;
- Proceso uniforme;
- Capacidad: hasta 8t/h.
87
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
El Proceso de Forja en Caliente: Sistemas de
calentamiento
Hornos de inducción, Ppio de
funcionamiento:
-
-
-
Se trata de un horno sin núcleo
magnético, que puede trabajar a
frecuencia de red, a media o alta
frecuencia.
El devanado primario envuelve la carga.
La corriente alterna que circula por el
primario crea un campo magnético
variable, induciendo sobre la carga una
corriente parásita que calienta el
material.
En el calentamiento por inducción hay
tres principios físicos: 1) transferencia de
energía del inductor a la carga por
electromagnetismo, 2) transformación de
la energía eléctrica en calor por efecto
Joule, y 3) trasmisión del calor por
conducción.
88
44
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
El Proceso de Forja en Caliente: Sistemas de calentamiento
Hornos de inducción, Ppio de funcionamiento:
 La corriente que circula por el inductor genera un campo
magnético (ley de Ampere), colineal con el eje de la
bobina.
 Si el campo es variable, ya que la corriente en el inductor
es alterna, el flujo magnético es también variable, y se
induce entonces una corriente en el seno de la carga (ley
de inducción de Faraday).
 Las corrientes inducidas llamadas parásitas o de
Foucault, producen el calentamiento del tocho metálico
por efecto Joule.
 Dado que el calor se produce en la periferia se necesita
un tiempo para que llegue al centro por conducción. Este
tiempo es proporcional a la difusividad térmica del
material e inversamente a su radio.
89
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
Forja en Caliente: Sistemas de calentamiento
Hornos de inducción: Profundidad de penetración y
potencia
- La profundidad de penetración p es inversamente
proporcional a la frecuencia, o sea p~1/f.
- Como el proceso de calentamiento por inducción es
superficial, para aumentar la profundidad, hay que bajar
la frecuencia y “esperar” la conducción.
- La potencia P es directamente propocional a la
frecuencia, o sea P~f.
- El tiempo de calentamiento en segundos para forjar
aceros se calcula como t=35000*D2, con D en metros.
- En el caso de aluminio es t=3000*D2.
90
45
16/05/2016
p  503

r f
P  6,24 103 H 2 D2h r f
• En la entrada del horno se requieren inductores de alta potencia (P), es
decir trabajando a alta frecuencia (f), para calentar rápido.
• Hacia la salida, baja frecuencia (f), osea baja potencia (P), para aumentar
91
la penetración (p), homogeneizando así la temperatura en todo el material.
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
• Ejemplo de calentamiento por inducción con un equipo de
bobinas en serie (Elotherm, Alemania).
• La temperatura en el centro del material, se podría medir en
laboratorio, utilizando termocuplas.
92
46
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
• Video sobre el
calentamiento y
fusión de un
cilindro de
calentamiento
mediante una
bobina de
inducción.
93
Video
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
Comparación de Sistemas de calentamiento
En horno de gas
Por inducción
-Muy
contaminante.
-Influye
negativamente en
el ambiente de
trabajo.
-Menor Inversión.
-Mejor en
pequeñas series.
-Fácilmente
adaptable a
distintas secciones
de barras.
-Pequeñas pérdidas por oxidación
(menores al 0,5%).
-Mejor condición de trabajo (sin humos).
-Sin consumo cuando no se forja.
-Aumenta duración de las estampas.
-Rápido (inercia térmica reducida y
potencia específica elevada), limpio, alto
rendimiento térmico (el Q se genera en la
carga), simple (p/ regular la producción
sólo se modifica la potencia), preciso.
-Proceso repetitivo en gdes series.
-Cambio de temperatura casi inmediato.
-Poca flexibilidad ante el cambio de sección
del material a calentar.
94
-Alta inversión inicial.
47
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
“Sistemas de calentamiento”, Hornos de inducción
- Pertenecen a la tendencia actual en calentamiento.
- Producen un calentamiento homogéneo y progresivo (bobinas en serie).
- Capacidad: hasta 25t/h.
95
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
Bobinas en
serie
Guías de acero
inoxidable
Pirómetro
Robadores
Si sobrexpongo al
material formo más
cascarilla, y el
pirómetro puede
medir mal.
Canales de
descarga
96
48
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
Sistema de carga del horno a
inducción
97
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
Hornos de inducción:
Es muy importante desde el punto de vista
económico seleccionar eficientemente los sistemas
de calentamiento para lograr la temperatura de forja,
dado que como dice Jesús del Río:
“Las operaciones de corte conllevan un
consumo de energía del orden del 1% del
total, mientras que al calentamiento a la
temperatura de forja le corresponde el 89%, a
la forja propiamente dicha el 7%, y al resto de
los consumos un 3%”.
98
49
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
“Defectos por Calentamiento”
• Exceso de cascarilla.
• Quemadura localizada (Con el exceso de
temperatura en el horno de inducción, se
pueden soldar las piezas entre sí).
• Descarburación superficial.
• Aumento del tamaño de grano.
99
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
“Cascarilla o escoria”
La formación de cascarilla o escoria:
• Es el resultado de la oxidación del acero,
• El proceso se inicia a los 200ºC por el contacto de la superficie caliente del
material a forjar con el aire,
• La cantidad de escoria que se forma, depende de:
– La temperatura del material (a partir de 850 ºC las perdidas son significativas),
– El tiempo de exposición a dicha temperatura.
• El tipo de óxido formado depende de la temperatura de la superficie:
– Por debajo de los 900ºC, la capa de óxido se compone de Wustita (FeO), y algo
de Magnetita (Fe3O4).
– Por encima de los 900ºC, la proporción de Magnetita aumenta, disminuye la
Wustita, y se forma algo de Hematita (Fe2O3 – FeO4).
El tipo de óxido formado, influye en el desgaste de las estampas, dado que
cada uno, presenta un grado de dureza diferente.
100
50
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
Dureza Vickers (medida a temperatura ambiente), de los distintos tipos
de óxidos que componen la escoria
Tipo de óxido
Hematita (Fe2O3 – FeO4)
Magnetita (Fe3O4)
Wustita (FeO)
Dureza Vickers
1030
450 – 500
270 – 350
101
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
Valores habituales mínimos de formación de escoria (% en peso)
Tipo de calentamiento
Gas
Electricidad
Escoria tolerada (%)
3,0 ó mayor
1,5
Inducción
1,0
102
51
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
Como reducirla:
• Utilizando en el calentamiento del material
hornos de inducción.
• Empleando un recubrimiento denso de base
acuosa (lubrodal), que se aplica sobre la
material a forjar a temperatura ambiente
antes de iniciar el proceso.
• Permite disminuir un 10% a 15% adicional.
103
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
El Proceso de Forja en Caliente: “Forja”
• Es bastante habitual que muchas piezas
forjadas en caliente se conformen en cuatro
pasos a saber: escoriado (golpe de forja libre
para eliminar la cascarilla), repartidor (estirado
del trozo inicial para adaptarlo a la preforma, si
es que es necesario), preforma (similar a la
forma final), y figura final. Se hace así, para
cuidar la cavidad de la figura final.
• El material de partida tiene un exceso de peso
para poder llenar la cavidad, y el sobrante se
transforma en rebaba.
104
52
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
El Proceso de Forja en Caliente:“Forja”
De izquierda a derecha
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Trozo inicial
Repartidor
Preforma
Final con rebaba,
Figura final y
Rebaba.
105
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
El Proceso de Forja en Caliente: “Forja”
• Matriz de forja de martillo:
Conformado en 4 pasos
• Estirado
(extremo izquierdo),
• Repartidor
(extremo derecho),
• Preforma
(centro derecha), y
• Figura final
(ver canal de rebaba).
106
53
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
“Forja”
En el proceso de forja intervienen:
• Maquinas Auxiliares:
Realizan el trabajo de forja previo al proceso principal
(repartidor o preforma)
• Maquinas principales:
Realizan el trabajo de deformación que deja la pieza
lista para el proceso de terminación
107
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
Proceso de Forja en Caliente: “Forja”
Funciones del repartidor / preforma:
•
•
•
•
•
•
•
•
La preforma generalmente, no hace rebaba.
Ayuda a controlar la cantidad de rebaba en la cavidad final.
Genera una rebaba perimetral homogénea en cavidad final.
Distribuye el material hacia las zonas de la pieza que
requieran más volumen de material.
Forma más alta, más angosta, y con menos detalles que la
pieza final (por ejemplo, radios y ángulos más grandes).
Tiene que entrar fácil, y asegurar un buen posicionado en la
cavidad final.
Cuida la cavidad final.
Es una versión suavizada de la pieza terminada.
108
54
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Forja
Rebabado
Granallado
Acuñado
“Forja – Máquinas auxiliares”
Martinete
Forjadora de rodillos
Forjadora de cuña
109
Corte
Calentamiento
Forja – Máquinas auxiliares
Rebabado
Granallado
Acuñado
El Proceso de Forja en Caliente: Forja - Martinete
Martinete:
• Se utiliza para el repartidor.
• El trozo inicial se estira en
forma manual, golpe a golpe
• El operario controla el trabajo
contra la rebaba de la pieza a
forjar, o plantilla.
Características técnicas:
1. Masa de hasta 300kg.
2. Redondos de hasta 220mm y,
3. Palanquillas de hasta 180mm
110
55
16/05/2016
El Proceso de Forja en Caliente: Martinete
111
Video
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
El Proceso de Forja en Caliente: “Forjadora de rodillos”
Forjadora de rodillo:
• Se utiliza para el repartidor.
• La pieza se introduce perpendicular
al eje de los rodillos.
• Cada paso se hace durante una
revolución de la máquina.
•
El proceso consiste en pasar
progresivamente el material por
cada uno de los pares de
segmentos, efectuando una rotación
de 90º entre paso y paso.
112
56
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
El Proceso de Forja en Caliente: “Forjadora de rodillos”
Forjadora de rodillo:
• El repartidor se suele hacer
en hasta 6 pasos.
• La operación más exigente
se realiza del lado del
cuerpo principal de la
máquina (izquierda).
113
“Forja – Forjadora de rodillo”
114
Video
57
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
“Forja – Forjadora de rodillo”
Pieza típica conformada en una forjadora de rodillo.
• Objetivo: conformar una biela de caja pedalera para
bicicletas (como las del modelo denominado playero).
115
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
El Proceso de Forja en Caliente: “Forja – Forjadora de cuña”
Forjado de repartidor en forjadora de cuña:
• La pieza se realiza en un único paso de manera progresiva.
• El material se introduce paralelo a los rodillos.
• Es un método típico para piezas con geometría de revolución.
116
58
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
Herramienta
cuneiforme
P
A
Herramienta
cuneiforme
Repartidor de
revolución
A: Ancho dado por el ángulo b
p: Profundidad dada por el ángulo a
117
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
118
59
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
“Forja – Forjadora de cuña”
Forjadora de cuña:
• Máquina de alta
productividad.
• Para piezas simétricas,
rotativas, y de forma
alargada.
• Ejemplos: ejes, árboles,
tornillos, pernos, etc.
119
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
“Forja – Forjadora de cuña”
• En las laminadoras transversales de rodillos
– Las herramientas giran en el mismo sentido y,
– Con cada rotación se produce una pieza.
• Algunas máquinas, como las Lasco, poseen la
capacidad de precalentar eléctricamente las
herramientas a temperaturas entre 200° a
250°C. Esto garantiza un proceso seguro, sin
variaciones.
• Dimensión máxima del material a conformar:
100 x 500mm.
120
60
16/05/2016
“Forja – Forjadora de cuña lineal”
121
Video
“Forja – Forjadora de cuña rotativa”
122
Video
61
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Forja – Máquinas principales
Rebabado
Granallado
Acuñado
“Forja, Máquinas principales”
•
•
•
•
Martillo: de vástago chico y de vástago grande.
Prensa de tornillo.
Prensa mecánica.
Recalcadora: existen de dos tipos
– Horizontal de mandíbula
– De paso vertical.
123
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
El Proceso de Forja en Caliente: “Forja - Martillo”
• Martillo de vástago reducido: diámetros
comprendidos entre 100 a 200mm.
• El conjunto pistón, vástago y mazo o pilón, se
presentan en tres partes.
• Algunas marcas principales: Pensotti (Italia), Erie
(Estados Unidos), Arrigoni y Candiago (Argentina).
• Elevada velocidad de golpe, posibilitando así dar
varios impactos hasta el cierre de matriz.
• Son ideales para forjar piezas altas con tetones
profundos, como es el caso de una masa de
rueda de un automotor.
124
62
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
El Proceso de Forja en Caliente: “Forja - Martillo”
Martillo de vástago
reducido:
• El pistón, vástago, y
mazo son piezas
separadas.
• Los mejores aros de
pistón son los de teflón.
• El extremo cónico del
vástago se vincula,
agujero mediante con el
mazo, a través de un buje
elástico de bronce.
125
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
“Forja – Martillo”
Diámetro máximo: 172 mm
Altura total: 92,5 mm
Peso de corte: 3,5 kg
Pieza característica de un martillo de vástago reducido
“Masa de rueda automotor”
126
63
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
El Proceso de Forja en Caliente: “Forja – Martillo”
Martillo de vástago grande:
– Diámetros mayores a 300mm.
• Los tres componentes, pistón, vástago y
mazo conforman una única pieza de
fundición, o acero forjado y bonificado.
• A estos martillos también se los conoce
como martillos de carrera reducida.
• Entre los principales fabricantes están
Schüler con la marca Beché, o MPM con la
marca Huta.
• Poseen un alto grado de impacto.
• Ideales para realizar el forjado de piezas
de grandes diámetros, y reducido
espesor, como suelen ser bridas y ruedas
dentadas.
127
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
El Proceso de Forja en Caliente: “Forja – Martillo”
Martillo de vástago grande:
• Carrera máxima hasta 1200mm.
• Energía de impacto hasta 31500kgm.
128
64
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
El Proceso de Forja en Caliente:“Forja – Martillo”
Pieza característica de un martillo de vástago grande
“Engranaje de caja de velocidades”
Diámetro máximo: 200 mm; Altura total: 40 mm; Peso de corte: 7,5 kg
129
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
El Proceso de Forja en Caliente:“Martillo”
• Dado que en los martillos no hay extractores
para remover las piezas, las matrices se
diseñan con mayores ángulos de salida, y se
usan lubricantes con mayor porcentaje de
concentración.
• El mayor ángulo de salida influye sobre el
diseño de la pieza a forjar, y sobre la peso de
la pieza terminada (mayor).
• Una misma pieza forjada en martillo y
prensa, es más precisa en el segundo caso.
• Por los altos impactos, no se pueden usar
tornillos para sujetar las matrices. Se utilizan
cuñas y contracuñas.
130
65
16/05/2016
El Proceso de Forja en Caliente: “Martillo”
131
Video
“Martillo de contragolpe”
132
Video
66
16/05/2016
“Martillo de contragolpe”
133
Video
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
“Forja – Prensa de tornillo - fricción”
Volantes laterales
en continuo
movimiento de giro
Eje de desplazamiento
lateral de los volantes
Volante con banda de
cuero en su perímetro
Sistema de
comando
Motor eléctrico
Tornillo de 4
entradas
Mazo
134
67
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
“Forja – Prensa tornillo - fricción”
Principio de funcionamiento
Punto muerto superior
Posición del eje para
el descenso del mazo
Posición del eje para
el ascenso del mazo
Giro constante de los
volantes laterales
La tuerca se encuentra
clavada en el bastidor
135
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
“Forja – Prensa de tornillo - fricción”
Características técnicas principales:
•
•
•
•
Carreras hasta 600mm;
Fuerza hasta 1600t;
Diámetro de tornillo de hasta 400mm.
Energía máxima hasta 300kJ.
136
68
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
“Forja – Prensa de tornillo con servomotor”
• Un servomotor le otorga mayor
constancia al trabajo de la
prensa.
• Son las máquinas de tornillo
más modernas.
137
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
“Prensa con servomotor”
En las prensas, si bien la fijación de
las matrices se realiza con tornillos,
las dilataciones provocadas por las
diferencias de temperaturas los
aflojan. Por ello es necesario
apretarlos con bastante frecuencia.
Sólo alcanzan una vida útil limitada.
Características técnicas principales:
• Carreras hasta 1100mm;
• Fuerza hasta 5000t;
• Diámetro de tornillo de hasta 710mm.
• Energía máxima hasta 1700kJ.
138
69
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
“Prensa de tornillo: diferencias”
“Prensa de tornillo
convencional o de
tornillo móvil”
En esta prensa, el tornillo
que gira en una tuerca
vinculada a la estructura,
se mueve verticalmente
acompañando el mazo, en
su movimiento ascendente
o descendente.
“Prensa de tornillo con
servomotor o de tuerca
móvil”
El tornillo NO se mueve
en forma vertical. La
tuerca está en el mazo,
de modo tal que el giro
del tornillo accionado por
el servo sube o baja el
mazo.
139
El Proceso de Forja en Caliente: Prensa de tornillo
140
Video
70
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
“Forja – Prensa mecánica de cigüeñal”
Prensa mecánica,
principio de
funcionamiento:
• Se basan en un sistema
biela-manivela.
• Acumulan energía en
un volante, y cuando se
requiere el golpe, un
embrague acopla el
volante con la
excéntrica.
141
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
“Forja – Prensa mecánica de cigüeñal”
• Prensa mecánica o de cigüeñal:
son aquellas cuya estructura, es un
bastidor cerrado (similar al que se
usa en las de fricción), designado
corrientemente como bastidor en
“O”.
• Esta estructura en forma de anillo,
absorbe la energía descargada por
el carro, reduciendo los costos de
la fundación y el nivel de ruido.
• Pueden alcanzar una fuerza
máxima de hasta 4000 tn.
• Su principal desventaja está dada
por la posibilidad de sobrecargar el
cigüeñal.
142
71
16/05/2016
El Proceso de Forja en Caliente: Prensa
mecánica, cuerpo de válvula
143
Video
El Proceso de Forja en Caliente: Prensa
mecánica, matriz multiestación
144
Video
72
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
El Proceso de Forja en Caliente: “Forja – Recalcadora”
Operaciones en matriz abierta
• Relación largo – diámetro: L < 3 *
• Ideal: 1,2 a 1,8
Problemas típicos
• Pandeo
• Falta de alineación
• Falta de llenado
145
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
El Proceso de Forja en Caliente: “Recalcadora”
• Hay dos componentes
básicos: portainsertos,
y portapunzones.
• El portainsertos se
encuentra dividido en
dos partes simétricas.
• Una es fija y otra móvil.
• El portainsertos aloja
las matrices (insertos),
y sujeta la barra.
146
73
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
• Secuencia de recalcado: a) Portainsertos abierto,
frente de barra sobre tope interior; b) portainsertos
cerrado; c) inicio de recalcado; d) fin de recalcado.
147
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
• Formas de sostén manual de barras: a) barra más larga
que la pieza final sujetada con pinza; b) barra con longitud
igual a la pieza terminada, sostenida con pinza con traba.
148
74
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
• Detalle de pinza sostén con traba.
• Bonnemezón sugiere que la longitud mínima a ser sujetada
por esta debiera ser de al menos una vez el diámetro de la
barra a recalcar.
149
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
• Otro método para hacer tope en barras largas:
Utilización de una escuadra externa a la
recalcadora, vinculada firmemente al piso.
150
75
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
• Un método más para hacer tope: hacer uso de los
agujeros roscados que se hallan en la garganta de la
recalcadora (frente de máquina), fijando allí un dispositivo al
destinado al efecto.
151
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
• Reglas de Frost
para el recalcado de
barras en un paso.
• Regla Nº1: el largo
expuesto máximo de
una barra a ser
recalcada es de
l=3d.
• ¡Cuidado!: Sección
extrema de barra
cortada en escuadra.
152
76
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
• Este diagrama aplicable a un proceso de recalcado libre, pone en
consideración el ángulo resultante en el corte de barras (fuera de
escuadra) y su influencia sobre la relación de pandeo.
153
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
• Con el mismo objeto, Jesús del Río propone las
siguientes expresiones límites, para el recalcado
libre de barras, según sea la falta de escuadra de la
barra a recalcar:
• Para a = 0º ; l < 3*d.
• Para a < 2º ; l/d < 2 + d(mm)/100 sin pasar de 3.
• Para 2º < a < 6º ; l/d < 1,5 + d(mm)/100 sin pasar
de 2.
154
77
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
• Regla Nº1: es válida
para todas las
configuraciones
mostradas.
• En todas ellas, la
barra se encuentra
sin soporte sobre su
diámetro exterior.
155
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
• Si se quiere poner a
prueba la regla Nº1,
por ejemplo
recalcando un largo
expuesto de l=4d, se
producirá el pandeo
de la barra, y como
consecuencia directa,
resultará un defecto
de plegado.
156
78
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
• El defecto comentado
antes no podrá
evitarse, aún en el
caso de modificar el
diseño del punzón y/o
de la matriz de
recalcado.
157
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
• Regla Nº2: longitudes
expuestas mayores a
tres veces el diámetro
de la barra, podrán ser
recalcadas en un paso,
si todo el largo del
material a conformar se
encuentra contenido en
la cavidad de la matriz,
y su diámetro interior no
fuera mayor a 1,5 veces
el diámetro a forjar.
158
79
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
• Regla Nº3: Cuando una
de las herramientas de
recalcado (punzón o
matriz), poseen una
cavidad cuyo diámetro es
1,5 veces el de la barra a
forjar, es posible recalcar
longitudes expuestas
mayores a l=3d, siempre
y cuando la cota U no
sea mayor a una vez este
diámetro.
159
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
• Portainserto con
insertos varios fijados
con tornillos.
• Arriba se ven las
ranuras para trabar la
pinza de tope.
• En la imagen inferior
se observa las
fijaciones para
izamiento (tuercas
soldadas).
160
80
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
• Distintas configuraciones de las herramientas para
recalcado: a) libre; b) hembra en el inserto; c) hembra en el
punzón; d) hembra en punzón e inserto.
161
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
Reducción
Barra
1º Paso
Ultimo
paso
2º Paso
3º Paso
Algunos conceptos del recalcado:
• Aumentar diámetro y disminuir longitud.
• Se usan conos truncados de ángulos crecientes.
162
81
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
“Forja – Recalcadora”
Prensa recalcadora de mandíbula o de paso horizontal
•
Es una prensa mecánica de cigüeñal
•
El pasaje de la barra es horizontal.
•
Posee dos movimientos principales:
1. Sujeción de la barra a forjar,
2. Recalcado del extremo de la barra
dentro de la matriz, o fuera de ella
(recalcado libre), mediante un punzón.
163
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
El Proceso de Forja en Caliente: “Forja – Recalcadora”
• Recalcadora de paso vertical:
Capacidad:
11
• Entre 125t y 2000t, para el caso
de la fuerza de recalcado.
10
9
8
7
6
5
1
4
2
• Según sea el diámetro máximo
de recalcado posible de obtener,
se las identifica como
recalcadoras de 1”, 2”, etc.
• Las de máxima capacidad son de
hasta 10” (aproximadamente
254mm).
3
164
82
16/05/2016
1
2
7
Cadena Cinemática
8
3
10
12
11
4
6
9
5
19
33
14
13
34
18
35
16
20
15
31
21
22
32
17
23
26
30
24
25
1.
Motor eléctrico
27.
Regleta lateral
2.
Polea en V
28.
Parte móvil de la estampa
3.
Correas trapezoidales
29.
Parte fija de la estampa
4.
Volante
30.
Tope para el material
5.
Arbol de contramarcha
31.
Roldana de maniobra del
6.
Piñón dentado
7.
Freno tipo de cinta
32.
Leva plana de gobierno
8.
Cilindro neumático del freno
9.
Resorte del freno
33.
Freno del volante
10.
Correa de la taquidínamo
34.
Leva de control de la
11.
Polea de la taquidínamo
12.
Taquidínamo
35.
Iterruptor fin de carrera
13.
Rueda dentada
28
29
del tope
corredera electroneumática
14.
Arbol del cigüeñal
15.
Biela
16.
Maza de recalcar
17.
Herramienta recalcadora
18.
Leva operante y de retroceso
19.
Roldana de retroceso
20.
Roldana de trabajo
21.
Seguro amuellado
22.
Maza lateral
23.
24. 25. Palancas del sistema de timo
nería acodada de la maza de apriete
26.
Maza de apriete
26
27
tope
165
Forja en Caliente: “Recalcadora de paso vertical”
166
Video
83
16/05/2016
167
Video
168
Video
84
16/05/2016
Forja en Caliente: “Recalcadora automática paso horizontal”
169
Video
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
“Estimación del tamaño de máquina a usar”
• Para determinar la fuerza de forjado en la prensa
se debe utilizar:
F  f A
f
En donde:
• F = fuerza (t).
• f = factor de forma (adimensional).
• f = resistencia a la deformación (MPa).
• A = Área proyectada de la pieza a forjar, incluyendo
la rebaba (m2; cm2; mm2).
170
85
16/05/2016
“Estimación del tamaño de máquina a usar”, Tabla de
resistencia a la deformación f en MPa (1MPa=0,1kg/mm2)
Material
Corte
Temperatura de finalización de forjado (ºC)
DIN
AISI
900
950
1000
1050
1100
1150
1200
C15
C1015
144
123
108
96
84
75
65
C35
C1035
181
151
130
114
98
83
70
C45
C1045
149
128
108
91
80
71
68
C60
C1060
148
118
102
90
82
73
67
37MnSi5
1340
196
171
150
130
102
96
80
42MnV7
1340H
154
128
110
96
85
75
-----
100Cr6
E52100
165
132
111
99
91
85
-----
16MnCr5
5117
184
159
139
121
106
91
76
20MnCr5
5120
193
147
122
108
101
95
-----
34CrNiMo6
-----
228
202
185
174
160
142
112
X10Cr13
-----
163
136
118
103
89
76
-----
X45CrSi9
-----
218
193
174
162
150
133
103
X12CrNi188
302;301
161
139
122
108
95
83
72
C100WI
W1-10C
176
149
124
103
89
79
71
Calentamiento
Rebabado
Granallado
171
Acuñado
“Estimación del tamaño de máquina a usar”, Tabla de factor de forma f
Tipo de pieza
f
Formas simples sin flash
3–5
Formas simples con flash
5–8
Formas complejas con
flash
8 – 12
172
86
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
El Proceso de Forja en Caliente: “Matrices”,
Fuerza de conformado
El área bajo la curva
es la energía
173
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
El Proceso de Forja en Caliente: “Matrices”,
Fuerza de conformado
Un dato de gran utilidad
sobre el acero a forjar,
consiste en disponer de
resultados
correspondientes a
ensayos de
“aplastamiento”, en los
cuales, se comprimen
cilindros de altura “h” y
diámetro “d” (*), a
distintas temperaturas. A
partir de estas curvas,
trazadas en función del
factor de aplastamiento
K=h/d, se pueden
conocer para el material
en cuestión, los valores
de presión que son
necesarios para iniciar la
deformación.
(*) Las probetas tanto
pueden ser cilíndricas
de diámetro “d” o
cuadradas de lado “c”.
174
87
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
• La forma más elemental para determinar la energía
de forjado en el martillo es por medio de:
h 
L  Vc f ln  0 
 h1 
En donde:
• L = energía (kgm).
• Vc = volumen del material a forjar (m3).
• f = resistencia a la deformación (MPa).
• h0 = altura inicial.
• h1 = altura final.
• IMPORTANTE: considerar el numero de golpes.
175
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
• Un método más preciso para determinar la energía de
forjado en el martillo, es el siguiente:
L=0,81*volumen*fF*iF
En donde:
• L = energía necesaria para el forjado (kgm).
• Volumen del material a forjar incluyendo la rebaba
(cm3). Puede obtenerse con el CAD 3D de la pieza.
• fF = factor de forma.
• iF = índice de forjabilidad (ver valores de tabla).
176
88
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
• Cálculo del factor de forma fF:
fF=(longitud media / altura media)1/2
En donde:
• Longitud media = área proyectada / largo
• Altura media = Volumen de forjado / área
proyectada
177
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
Material
Indice de
forjabilidad
Material
Indice de
forjabilidad
SAE 1010-1030-Latón
1,0
Inoxidable serie 300
1,75
SAE 1035-1050Bronce
1,1
Aleaciones cromoniquel-Mo
2,0
SAE 1055-10754140-5140
1,2
Inconel
2,5
SAE 3150-4340-6150
1,3
Aleaciones de titanio
3,0
Inoxidables serie 400
1,5
Waspaloy
3,5
178
89
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
La cantidad de golpes que se requerirán para
conformar la pieza dependerá de la relación entre
la Energía necesaria (L) y la disponible en el
martillo (peso del mazo x altura):
Número de golpes = Energía necesaria /
energía disponible
179
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
El Proceso de Forja en Caliente: “Criterios
de selección de martillos y prensas”
Por un lado, Duesing opina que:
• “Para grandes producciones no puede recomendarse
el martillo, dado que la prensa, a pesar de su marcha
tranquila, efectúa mayor cantidad de trabajo dado que el
estampado lo efectúa en un solo golpe”.
• “Los objetos delgados se forjan exclusivamente con el
martillo, pues en la prensa se enfrían muy
rápidamente”.
• “Con la elevada velocidad de deformación que da el
martillo, el rozamiento interior en la pieza, desarrolla
mayor cantidad de calor que en el prensado”.
180
90
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
El Proceso de Forja en Caliente: “Criterios
de selección de martillos y prensas”
La experiencia de Alfredo Bonnemezón indica que:
• Si tenemos que forjar una pieza en martillo, la parte más
profunda, debe ser grabada en la matriz superior.
• Por el contrario, si la misma pieza, la tenemos que forjar en
una prensa, el grabado de mayor altura, debe ser
mecanizado en la estampa inferior.
• Por lo tanto, en la conformación en caliente mediante un
martillo, se obtienen mejores resultados, sobre todo en el
caso de piezas a elaborar complicadas. Para perfiles más
sencillos, resulta más adecuada la prensa.
181
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
“Criterios de selección de martillos y prensas”
• La prensa de fricción mantiene un lugar importante en
las operaciones de forjado en caliente, debido a su
elevada energía de impacto, que la ubica en una
posición intermedia, entre las prensas de cigüeñal y el
martillo. En consecuencia, tiene la capacidad de poder
producir piezas con cavidades más profundas, que la
prensa mecánica a igualdad de tonelaje.
• Con una mirada diferente, Jesús del Río opina que “la
utilización de los martillos es aconsejable para series
cortas, en tanto que, si deben fabricarse grandes
cantidades de piezas iguales en series largas, es mucho
mejor utilizar prensas mecánicas”.
• Diferentes máquinas pueden ser comparadas entre si,
en base a su máxima energía de deformación medida
en kJ.
182
91
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
• Forjar piezas en prensa de fricción es más
económico que en una mecánica.
• Las medidas finales de las piezas son
siempre más estables en las prensas de
excéntrica, dado que poseen PMI.
• Al martillo siempre se asocian equipos
más económicos, por lo cual el proceso es
siempre el menos preciso.
183
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
• Las máquinas para forjar se pueden dividir en
aquellas que no tienen PMI (martillo; prensa
de tornillo), y las que si lo tienen (prensa de
cigüeñal; recalcadora).
• En las primeras, si la fuerza o energía
necesaria para conformar una pieza es mayor
que la disponible en la máquina, tendremos
que dar más de un golpe.
• En las segundas, la única opción posible es
seleccionar una prensa de mayor capacidad.
184
92
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
“Defectos por Forjado”
• Penetración incompleta de la forja (habitual en
piezas de gran tamaño, como en piezas
conformadas en martillo. Se ve con macrografía).
• Agrietamiento superficial (por excesivo trabajado
a baja temperatura).
• Cuando una fisura alcanza el flash, pasa a la
pieza. Cuanto más fino el flash peor.
• Pliegue: es una discontinuidad producida cuando
dos superficies del metal se pliegan una contra
otra, y no alcanzan a soldarse.
185
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
• Macrografía
de una bola
de molino
186
93
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
•
•
Fisuras internas: durante la forja pueden originarse tensiones de tracción
secundarias. Peor en forja libre y recalcado. Son menos frecuentes en matriz cerrada,
porque la reacción del material contra las paredes de la cavidad, produce tensiones
laterales de compresión.
En todo material, siempre que se produzcan sobre él, tensiones de compresión, en
otra parte del mismo, aparecerán tensiones de tracción. Estas tensiones son las
peligrosas para una pieza. Pueden conducir a la fractura de la pieza en servicio, dado
que presentan una sección menor para soportar las cargas de trabajo.
187
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
• Fisuras longitudinales y transversales.
• Flujo incorrecto del material: la deformación producida por la
forja, ocasiona una direccionalidad sobre la microestructura.
Las inclusiones se orientan según las líneas de flujo. Este
efecto produce propiedades mecánicas distintas en la
dirección perpendicular a la de conformado. Se puede limitar
la deformación a 50% - 70%.
• Fisuras por efecto térmico.
• Marcas superficiales.
• Falta de llenado.
• Desplazamiento o excentricidad.
• Presencia de huellas o cavidades.
188
94
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
Sistema de guiado mixto
Sistema de
columnas
Sistema de
cono truncado
189
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
Falta de llenado
Pliegues
Presencia de huellas
Fisura longitudinal
190
95
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
“Rebabado”
Balancín:
• Es una prensa mecánica
con bastidor en C.
• Se utilizan para efectuar las
operaciones de rebabado
(recorte de la rebaba
perimetral).
191
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
El Proceso de Forja en Caliente: “Rebabado”
• Según AB “la inspección
visual de la rebaba es un
indicativo muy importante
de cómo está sucediendo
el proceso de forja”.
• En el borde superior
derecho se observa la
casi falta de llenado en el
extremo inferior de la
pieza forjada, en tanto
que, en el borde inferior
izquierdo se ve como fue
En piezas grandes, el tejo central puede
alcanzar dimensiones muy importantes
solucionada esta
(caso bridas). Hay forjas que usan el
situación (el ancho de la
tejo, para conformar otras piezas.
rebaba es casi constante
192
en todo el perímetro).
96
16/05/2016
“Rebabado”
193
Video
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
“Rebabado”, Matrices de corte
194
97
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
El Proceso de Forja en Caliente: “Rebabado”,
Matrices de corte, juegos
Forma a
Forma b
h (mm)
s (mm)
d (mm)
s (mm)
Hasta 5
0,3
Hasta 20
0,3
5 a 10
0,5
20 a 30
0,5
10 a 20
0,8
30 a 45
0,8
20 a 25
1,0
45 a 60
1,0
25 a 30
1,2
60 a 70
1,2
> 30
1,5
> 70
1,5
195
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
“Defectos de Rebabado”
• Mal posicionamiento en la matriz (cuanto
mas fina la pieza peor).
• Pieza simétrica puesta al revés (para evitarlo
se hace una marca testigo con la propia
matriz de forja, de modo que el operario
pueda visualizarla, y de esa manera, ubicar
convenientemente la pieza en la matriz).
196
98
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
“Granallado”
Granalladora:
• Efectúa la limpieza de las piezas forjadas,
removiendo la capa de cascarilla, y
dejando expuesta la superficie metálica.
• Se emplean pequeñas esferas de acero,
comúnmente llamadas granallas, y cuya
dureza oscila entre los (40 a 50) HRc
• Permite que las piezas lleguen limpias a
las máquinas-herramienta por arranque de
viruta, y de esta forma, no se deterioren
prematuramente las superficies de fijación
(mordazas del plato en el torno, o mesa de
la fresadora), como tampoco los filos de
las herramientas de corte.
• La mayoría de las piezas se granallan.
197
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
El Proceso de Forja en Caliente: “Granallado”
• Un efecto positivo adicional consiste en
aumentar la dureza superficial de la
pieza granallada, hecho que mejora la
resistencia a la fatiga. Debemos
recordar que todas las fallas de piezas
sometidas a cargas cíclicas, se inician
en la superficie de las mismas. Por esa
razón no se aceptan fisuras en las
piezas forjadas.
• Las piezas se granallan poco antes de
ser enviadas al cliente para que no se
oxiden.
• La identificación de pieza en
sobrerelieve es muy afectada por este
proceso. Se recomienda sea siempre
en bajorelieve.
198
99
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
El Proceso de Forja en Caliente: “Shot peening”
• Se aplica sobre superficies mecanizadas.
• Produce una capa deformada plásticamente, con
tensiones de compresión, y con un espesor comprendido
entre 100m a 300m. Estas tensiones mejoran el
comportamiento a la fatiga, respecto de una pieza similar
no tratada.
• Dado que el shot peening también afecta la rugosidad de
las piezas forjadas, y siendo que un valor menor implica
mejor resistencia a la fatiga, el empleo de granallas más
pequeñas producirá otro efecto positivo sobre esta
resistencia dado que, a las tensiones de compresión se
sumará una rugosidad menor.
199
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
• Uno de los principales ensayos utilizados para la
evaluación de la resistencia a la fatiga de un material, es
el denominado de flexión rotativa.
• Cuando se compara la resistencia a la fatiga de piezas
forjadas, unas con superficies sin mecanizar, otras
mecanizadas, y otras rectificadas, más allá que mejora en
el sentido que fueron nombradas, los resultados
obtenidos con ensayos de flexión rotativa muestran que,
las piezas forjadas, presentan el mayor grado de
variabilidad dada la mayor irregularidad de sus superficies
(huecos, marcas, descarburación, etc).
200
100
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
Derecha: máquina de
ensayo de fatiga por
flexión rotativa
Rectificado grueso con
shot peening
Rectificado grueso
Izquierda: diagramas
de fatiga para
probetas con distintas
terminaciones
superficiales
201
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
Productos beneficiados por el shot peening:
• Bielas: una superficie rugosa con tensiones de compresión es
mejor que una suave tensionada.
• Cigüeñales: se han encontrado experimentalmente diferencias en
la resistencia a la fatiga de hasta un 38% entre cigüeñales
rectificados y granallados, y no granallados (hablamos de shot).
• Engranajes:
 Es quizás una de las aplicaciones más difundidas de este proceso.
 Habitualmente para alcanzar un mayor grado de precisión, se les
hace un lapidado sin remover más del 10% de la capa comprimida.
 Para estos productos se suelen emplear granallas esféricas
especiales con durezas comprendidas entre 55 a 62HRC, dado
que producen tensiones de compresión de mayor magnitud.
202
101
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Granallado
Rebabado
Acuñado
“Defectos de granallado”
• Tiempo de granallado insuficiente
(falta de limpieza)
• Tiempo de granallado excesivo
(modificación de la geometría)
• Marcas por golpeado de piezas (los
tambores de las granalladoras se recubren
con caucho para minimizarlas).
203
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
“Acuñado”
• Es el paso siguiente al granallado,
si la pieza lo exige.
• Este proceso se efectúa en frío, y
sirve para:
– Obtener una mejor superficie de apoyo,
– Enderezar la pieza,
– Alcanzar una mayor exactitud
produciendo una o más caras planas,
– Proveer de superficies moleteadas, etc.
204
102
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
Herramental y pieza acuñada
Herramental
Pieza acuñada
205
El Proceso de Forja en Caliente: “Acuñado”
206
Video
103
16/05/2016
Corte
Calentamiento
Rebabado
Granallado
Acuñado
Defectos de Acuñado
• Marcado profundo.
• Pieza con incrustación de escoria.
207
“Matrices”
• Para su fabricación normalmente se emplean los aceros:
– AISI H13 para las matrices de prensas, y
– AISI L6 para las de martillo.
• Suelen presentar una duración promedio de 3000 piezas,
aunque algunas alcanzan las 1000 y otras las 10000
piezas.
• Dado el gran espesor de las matrices, es posible
repararlas, efectuando varios regrabados de entre 3mm a
5mm cada uno.
208
104
16/05/2016
El Proceso de Forja en
Caliente: “Matrices”
• La fuerza utilizable en una máquina de forja depende de la
ubicación de la matriz en la mesa.
209
“Precalentamiento de matrices”
• Se precalienta para que la matriz no se
fracture.
• Para mejorar la fluidez del material.
• Con el objeto que no se produzcan grandes
variaciones de medidas.
• Reducir el salto térmico.
• En aquellos procesos de forjado en los
cuales la temperatura de matriz es igual a la
del material, se habla de forjado isotérmico.
210
105
16/05/2016
“Precalentamiento de matrices”
• Métodos: con material caliente, con
mecheros de gas, con mantas eléctricas, en
horno.
• Temperatura recomendada entre 200°C a
250°C.
• Si nos excedemos de temperatura, la matriz
puede perder dureza y se deforma.
• Si es baja, la estampa puede comportarse en
forma frágil, posibilitando la rotura de la
misma.
211
“Lubricación de matrices”
• El lubricante tiene distintas funciones:
– Lubricar, reduciendo la fricción metal-metal,
– Desmoldar, facilitando la extracción de las
piezas forjadas en la matriz,
– Refrigerar, eliminando el calor excesivo de las
matrices,
– Preservar, protegiendo y extendiendo la vida útil
de las matrices.
212
106
16/05/2016
• Algunas variables que influyen en el
régimen de lubricación:
– Fuerza normal, o carga de conformado;
– Velocidad relativa entre las superficies;
– Viscosidad del lubricante;
– Geometría del contacto;
– Rugosidad de las superficies.
213
Diagrama de Stribeck
214
107
16/05/2016
“Lubricación de matrices”, Stribeck
Según Stribeck existen al menos cuatro regímenes de lubricación, y
estos pueden ser representados en un diagrama que da el coeficiente de
fricción en función de la viscosidad, la velocidad relativa de deslizamiento, y la
carga (presión). Las cuatros zonas son las siguientes:
De lubricación hidrodinámica: el espesor de la capa de lubricante h es
mayor a 10 veces la rugosidad media aritmética Ra. Por tal motivo no hay
contacto metal-metal. Este tipo de régimen no sucede en el forjado.
De lubricación mixta: el espesor de la capa de lubricante h es entre 3 a 10
veces la rugosidad media aritmética Ra. El contacto metal con metal no es
permanente. Este tipo de régimen no es usual en los procesos de forjado.
De lubricación límite o de borde: el espesor de la capa de lubricante h es
menor a 3 veces la rugosidad media aritmética Ra. Hay contacto metal con
metal. Este tipo de régimen es usual en los procesos de forjado.
De lubricación en seco.
215
“Lubricación de matrices”, Texturado
En los procesos de forjado en caliente, la carga es elevada, y en
consecuencia lo son las presiones de conformado. Por otra parte, la
temperatura reduce la viscosidad, y como consecuencia de ambas
cuestiones se produce un régimen de lubricación límite. Para peor, las
exigentes condiciones de trabajo, expulsan al lubricante de las
cavidades, motivo por el cual la duración de las matrices es limitada.
¿Cómo se podría hacer para convertir un régimen de lubricación
límite en uno mixto?.
Un método con el que se viene experimentando desde hace algunos
años es realizar una textura utilizando un rayo láser guiado por fibra
óptica. De este modo se generarían ranuras que harían las veces de
reservorios de lubricante.
216
108
16/05/2016
Lo que resulta muy llamativo es que nos encontramos frente a
una paradoja: para obtener un mejor régimen de lubricación hay
que “aumentar la rugosidad”, hasta un cierto límite. Esta idea se
usa en el bruñido de los cilindros de un motor de CI.
Sin embargo está estudiado que, la zona texturada no debiera
superar entre el 5% al 20% de la superficie total, porque a partir
de esa “densidad” el proceso comienza a revertirse. Es decir
que, el coeficiente de fricción disminuye con el aumento de la
rugosidad, aunque si este aumento es muy importante, la
situación se altera, y la fricción comienza a aumentar.
¿Cómo se puede evaluar?. 1) Por el método de compresión del
anillo; 2) Por el método “Pin-on disk”.
217
En ambos casos las superficies de las probetas son muy simples
tanto de texturar (dado que son planas), como también de medir su
rugosidad, a la vez que presentan un buena sensibilidad para destacar
los cambios de la fricción.
El tipo de ranura realizada por el texturado láser, tiene una marcada
influencia sobre la mejora posible de ser alcanzada. Tanto es así que
su forma, ancho, profundidad, y densidad superficial, son las variables
a considerar.
A modo de conclusión podemos decir que, el texturado láser
colabora con la disminución del coeficiente de fricción, llevando el
régimen de lubricación de uno límite a otro mixto, a la vez que previene
la rotura de la película lubricante. De esta manera, es posible alcanzar
una mayor vida útil en las cavidades de las matrices de forja.
218
109
16/05/2016
“Lubricación de matrices”,
Texturado
• En las figuras se presenta un tipo de textura
(hemiesférica) y una sección de la misma.
• Este proceso es comercializado por la
empresa alemana DMG, fabricante de
máquinas-herramientas de última generación,
quien posee una serie de equipos
denominados Lasertec, que son máquinas
híbridas dado que combinan un centro de
mecanizado que tanto puede ser de 3 o 5 ejes,
con un cabezal láser de fibra óptica de modo
que, en una misma máquina se puede fresar la
matriz en duro, y hacerle como operación final
el texturado láser.
219
220
Video
110
16/05/2016
Modo de aplicación: por pulverizado. Debe evitarse la
formación de gotas.
• Pasos a seguir para una lubricación eficiente: carga del
material (izquierda); forjado; espera; extracción; limpieza
con aire; pulverización automática simultánea sobre la
superficie de la matriz superior e inferior; recomenzar
ciclo de trabajo.
221
Forja en Caliente: “Lubricación de matrices”
Todos los lubricantes utilizados en forjado en caliente en Argentina, son
base agua, algunos mezclados con aceites emulsionables, grafito o ambos:
– El Aceite emulsionable es denominado en la jerga “blanco”
– El lubricante con grafito se llama “negro”
Selección del tipo de lubricante y porcentaje de solución en función de la
pieza a conformar:
Complejidad de la
pieza
Lubricante a utilizar
Porcentaje (%)
Ejemplos
Baja
Blanco
Entre 8 y 9
Bridas y engranajes
Mediana
Blanco
12
Engranajes, mazas
profundas
Alta
Blanco
25
Cuerpo de válvulas
Muy alta
Blanco + Negro
25 + 2
Cuerpo de válvulas
esféricas
Extrusión
Blanco + Negro
35 + 2
-
Comentario: proveedores de empresas automotrices usan lubricantes
sintéticos. Razones: ambientales, piezas de geometría simple. 222
111
16/05/2016
“Matrices”
Dado el
elevado valor
de los aceros
para su
construcción,
en el caso de
grandes
matrices, se
suelen
emplear
insertos para
reducir su
costo.
223
“Matrices”
Sistemas de fijación de insertos:
• Izquierda: por interferencia (1% del diámetro);
• Centro: por tornillos;
• Derecha: por cuña.
224
112
16/05/2016
El Proceso de Forja en Caliente: “Matrices”
Diseño y
costos
Vs lote de
fabricación
225
Para su diseño se parte del plano de la pieza
a mecanizar.
226
113
16/05/2016
“Matrices”, Sobremateriales
Dimensiones (mm)
Sobrematerial “s” por lado (mm)
Hasta 20
0,5 a 1
De 20 a 80
1 a 1,5
De 80 a 150
1,5 a 2
Más de 150
2a3
227
“Matrices”, Radios
Medida h, h1,
h2 ó d
Radio r (mm),
Interiores
Radio de arista
r1 (mm),
Exteriores
Radio de
empalme r2
(mm),
Exteriores
0 a 25mm
5
1
1
25 a 40mm
8
1
1,5
40 a 63mm
12
1,5
2
63 a 100mm
20
1,5
2,5
100 a 160mm
30
2
3
160 a 250mm
50
2,5
3,5
228
114
16/05/2016
229
“Matrices”, Ángulos de salida
Tipo de
máquina
Angulo de salida pared
interior
Angulo de salida pared
exterior
Angulo a (º)
Observación
Angulo β (º)
Observación
7a8
Valor normal
7a8
Nervio alto
6
Tetón bajo
6a3
Valor normal
7a8
Cavidad
profunda
6
Pieza de
revolución
alta
6
Valor normal
3
Valor normal
3
Con
extractor
1
Con
extractor
3a1
Cavidad
ciega
3a1
Valor normal
Martillo
Prensa
vertical
Prensa
horizontal
Para “nervios” usar siempre salidas con pendientes del 9% al 12%
230
115
16/05/2016
• Para el plano de forja se agregan los ángulos de salida, los
sobremateriales y los radios de acuerdo.
• Este plano es el de discusión con el cliente. Una vez acordado
puedo calcular el peso (8kg).
231
“Matrices”, Contracción
Material
Temperatura final (ºC)
Contracción (%)
Acero
1020
1,2 a 1,5
Bronce
800
1,6
Latón
675
1,2 a 1,5
Cobre
520
0,8
Aluminio
525
1,3 a 1,5
232
116
16/05/2016
S = Espesor de flash (*)
F = Radio de empalme
LC = Línea de cierre
B = Ancho del flash (*)
Canal de rebaba
(*) Variables principales
• El canal de rebaba tiene por objeto recibir el material sobrante para
conformar la rebaba, regulando el flujo de material fuera de la
cavidad ppal. Una garganta estrecha podrá producir la rotura de la
estampa, mientras que uno amplio, la falta de llenado de la cavidad.
• Para estimar el peso del material de partida, se sugiere considerar
que el canal de rebaba se debe llenar entre un 20% a 40%.233
“Matrices”, Canal de rebaba y flash
kg
S (mm)
Peso neto
Espesor
de
flash
B (mm)
C (mm)
D (mm)
E (mm)
F (mm)
Ancho de
flash
Profundidad
de rebaba
Ancho
canal de
rebaba
Radio del
canal
Radio
empalme
0 - 0,25
1
4,8
4,8
19
8
1,5
0,25 - 0,50
1,5
6,3
4,8
22,2
8
1,5
0,50 - 1,25
2
9,5
4,8
25,4
9
2
1,25 - 2,50
3
9,5
4,8
28,6
10
2
2,50 - 5,00
3
9,5
4,8
31,7
10
3
5,00 10,00
4
9,5
6,3
34,9
11
3
10,0 -15,0
4
9,5
6,3
38,1
11
3
15,0 - 23,0
5
9,5
6,3
41,3
11
3
23,0 - 28,0
5
11
8
44,4
12
4
28,0 - 34,0
5
11
8
47,6
12
4
34,0 - 45,0
5
11
8
50,8
12
4
234
117
16/05/2016
• Canal de rebaba con freno.
• La suma de los anchos de
flash parciales B1 y B2 es igual
a B.
• Se utiliza cuando hay
problemas de llenado
(geometrías complejas).
• Para mejorar el llenado,
cuidado con disminuir el flash
ya que aumentan los
esfuerzos sobre la máquinamatriz, como también la
velocidad del material,
incrementando el desgaste en
los radios previos al flash.
235
“Matrices”, Canal con freno. Ejemplo
236
118
16/05/2016
Para el plano de la matriz, finalmente se agregan la
contracción, el flash y el canal de rebaba.
237
238
119
16/05/2016
“Matrices”
Radio de empalme
pieza flash
- Inserto superior
- Ángulos de salida
internos
- Angulo de salida
- Rebaba
- Flash
- Línea de cierre
- Angulo de
salida
Radio
de empalme
Angulos de salida
internos
- Inserto inferior
Tocho central
239
“Matrices,
línea de cierre”
• En el proceso de forjado en matrices cerradas,
es necesario disponer de una superficie de
partición, que al separar la matriz en dos
partes, va a permitir tanto poder colocar el
material en la cavidad que le dará forma, como
también extraer la pieza una vez haya sido
forjada.
• Es normal que la geometría de la pieza
terminada imponga su forma.
240
120
16/05/2016
“Matrices,
línea de cierre”
• Su forma y ubicación determinará el costo
de la matriz (debe facilitar el mecanizado
de las cavidades), los ángulos de salida
y como consecuencia directa el peso de la
pieza terminada, los radios de empalme,
el flujo del material, la formación de
defectos (pliegues), como también el
proceso de rebabado, dado que define el
perímetro a ser cortado.
241
“Matrices,
línea de cierre”
• Jesús del Río sugiere como criterio
general para su ubicación, poner la línea
en aquella sección de la pieza con mayor
dificultad de llenado, es decir, sobre la
sección más grande de la pieza, y siempre
perpendicular a la dirección de forjado.
242
121
16/05/2016
El Proceso de Forja en Caliente: “Matrices,
línea de cierre”
Tipos de línea de cierre:
• A) Plana;
A
•B) Asimétrica con talón;
• C) Simétrica.
B
C
243
“Matrices, línea de cierre”
• Cuando la pieza me conduce a una línea no plana, se
producirán esfuerzos laterales que pueden provocar un
desplazamiento de las matrices, generando sobre la pieza
terminada el defecto llamado excentricidad o desplazamiento.
Para que esto no suceda, se sugiere conformar dos piezas en
forma simultánea, diseñado el proceso de manera simétrica.
244
122
16/05/2016
“Matrices,
línea de cierre”
• Estampa de
cigüeñal para
martillo, con línea
de cierre plana
escalonada.
245
“Matrices,
línea de cierre”
• En el martillo, la línea de cierre sobre la pieza,
coincide con la que corresponde a la matriz, y es
usada como rebote, o punto muerto inferior.
246
123
16/05/2016
“Matrices,
línea de cierre”
1 a 2mm
• En una prensa mecánica, las estampas NUNCA deben tocarse, dado que,
como es de carrera fija, se corre el riesgo que quede bloqueada, o se rompa
alguna parte del sistema biela-manivela.
• Se recomienda antes de forjar la primera pieza, verificar esta abertura.
247
“Matrices,
línea de cierre”
• En el caso de una
recalcadora
(prensa mecánica
horizontal),
tampoco deben
tocarse los insertos
con los punzones.
Esto se debe a que
se trata de
máquinas cuyos
dos movimientos
principales, de
“cierre y recalcado”,
están accionados
por sistemas de
levas y cigüeñal.
1 a 2mm
248
124
16/05/2016
“Matrices,
línea de cierre”
• Para finalizar, en el caso de usar una prensa de fricción, se
puede trabajar, optando por una de dos formas posibles: 1)
con rebote en la matriz, ó 2) con rebote sobre rebotadores
249
“Matrices,
línea de cierre”
• En la imagen superior se pueden observar tres rebotadores
dispuestos sobre una prensa de fricción, para establecer la
posición de la línea de cierre del proceso de forjado.
250
125
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“Matrices,
comparación de máquinas”
Máquina
Carrera
Matrices
Martillo
No fija
Se tocan
Recalcadora
Fija
Prensa de
tornillo
Prensa
mecánica
No fija
No se
tocan
Se tocan o
rebotadores
Fija
No se
tocan
Matriz más
profunda
Arriba
----Abajo
Abajo
251
“Reparación de Matrices”
• En zonas con un desgaste profundo, es posible
agregar material por aporte de soldadura, y
realizar un mecanizado posterior, para alcanzar
la forma original.
• Según Bonnemezón es habitual realizar
reparaciones de matrices fisuradas mediante un
proceso de zunchado, indicando su experiencia
que las mismas alcanzan una duración similar a
matrices sin defectos.
252
126
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“Fabricación de Matrices”
• Proceso tradicional:
1) Bloque de material en blando; 6) Fresado de terminación;
2) Fresado de desbaste;
7) Pulido.
3) Fresado de semiterminación;
4) Temple y revenido;
5) Fabricación de electrodo y electroerosión;
253
Proceso de fresado de alta velocidad (MAV):
Bloque de metal
en duro
La incidencia de las
matrices sobre el
costo de forjado es
de al menos un 10%
Fresado de
desbaste
Fresado de
semiterminación
Fresado de
terminación
Pulido
254
127
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Una comparación realizada por Moreira del
método de fabricación MAV vs EDM
(tradicional) indica que:
• El tiempo de fabricación disminuyó un 36%.
• El costo de manufactura un 30%.
• La producción se incrementó entre un 30% a
40% (se pasaron de 3000-4000 piezas
contra 5000-5500 piezas).
255
• Que sucede cuando no alcanza la accesibilidad
de una fresadora/centro de 3 ejes?.
256
128
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• Un cuerpo en el espacio debe
ubicarse mediante el empleo
de 6 coordenadas,
denominadas grados de
libertad, tal como lo hace un
Robot.
• Como en una operación de
fresado, la herramienta posee
un movimiento de rotación
(principal de corte), el sistema
mecánico que la desplace y
oriente en el espacio, deberá
proveerle los 5 grados de
libertad restantes => máquina
de 5 ejes.
257
• Hay que recurrir a
máquinas de 5 ejes.
• Las hay de 3 tipos: las
LLLRR como la Zayer
Memphis se destinan a
matrices de tamaños
muy grandes (hasta
15000kg).
• La pieza tiene 3
movimientos lineales y
la herramienta de
inclinación en dos ejes.
258
129
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• Las hay de 3 tipos: las RLLLR como la Ibarmia ZVH45 se
destinan a piezas altas de forma cilíndrica.
• La pieza tiene uno de los movimientos de rotación, y otro de
inclinación lo posee la herramienta.
259
• Las hay de 3 tipos: las RRLLL como la Hass se matrices de forma
compleja pequeñas y medianas.
• En esta configuración, la pieza tiene los dos movimientos de
rotación.
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130
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• Es un concepto habitual en máquinas pequeñas. Surgen como evolución de
las máquinas de tres ejes, donde la mesa se sustituye por un plato divisor
basculante.
• Esta configuración ha sido la causa del desarrollo sostenido de máquinas
de cinco ejes, impulsado por el creciente número de clientes potenciales
interesados en adquirir máquinas económicas de pequeño tamaño.
261
Forja en Caliente: “Fresa de 5 ejes
RRLLL”
262
Video
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“Algunos ejemplos”
• Forjado en caliente de
una cruceta en tres
pasos: escoriado,
preforma y figura final.
• Material de partida:
palanquilla de 80mm x
75mm de longitud.
• Máquina principal:
prensa.
263
El Proceso de Forja en Caliente: Algunos ejemplos
una punta de eje en
cuatro pasos:
escoriado, aplastado,
preforma y figura final.
palanquilla de 60mm x
116mm de longitud.
prensa.
264
132
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“Algunos ejemplos”
una llave fija en dos
pasos: preforma y figura
final.
barra redonda de 12mm.
martillo.
265
El Proceso de Forja en Caliente: “Algunos ejemplos”
• Forjado en caliente de un alojamiento de rótula de suspensión:
trozo inicial, repartidor, preforma, figura final, pieza rebabada y
pieza mecanizada.
• Material de partida: barra redonda de 34,9mm por 79mm.
• Máquina principal: prensa.
266
133
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El Proceso de Forja en Caliente: Algunos ejemplos
267
Video
El Proceso de Forja en Caliente: Algunos
ejemplos
268
Video
134
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ejemplos, forjado de anillo
269
Video
ejemplos, forja libre
270
Video
135
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ejemplos, forja de cigüeñal sin rebaba
271
Video
El Proceso de Forja en Caliente: Lay-out
Célula de forjado de un brazo de suspensión compuesta por:
Horno de inducción; forjadora de rodillo; dispositivo de
doblado; prensa de fricción; y balancín de rebabado.
272
136
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El Proceso de Forja en Caliente: Lay-out,
Video
273
Video
El Proceso de Forja en Caliente: Lay-out
• Las empresas de forja requieren de amplios
espacios para el material proveniente de la
acería.
• Como dato ilustrativo, 250m 2 son adecuados
para 350t.
• Las máquinas se disponen en células de
forjado.
• El lay-out siempre debe pensarse alrededor
de la máquina principal, que una vez fijada,
no se moverá más.
274
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El Proceso de Forja en Caliente: Factores
medioambientales
Según Altan todos los procesos de
manufactura deben ser examinados en
vista de:
1) Influencia sobre el aire, agua, y ruido;
2) En relación al hombre, su efecto sobre la
seguridad, salud, y psicología;
3) Sobre los recursos, uso racional de los
materiales y la energía.
275
medioambientales
Para las forjas en caliente los factores
medioambientales principales son:
 El gran consumo de semielaborados que
fueron producidos a partir de minerales
naturales y de emplear enormes
cantidades de energía.
 La propia emisión de CO2 en los hornos de
calentamiento y de tratamiento térmico.
 La generación de ruidos y vibraciones.
276
138
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medioambientales







¿Como mejorar?
Produciendo piezas forjadas terminadas.
Reduciendo pesos, eliminando TT.
Utilizando Matrices con postizos.
Efectuando un control del peso de los tochos.
Mejorando la eficiencia energética (inducción).
Aislamiento antivibratorios de máquinas, uso de
paneles acústicos, y protectores auditivos en el
personal de planta.
Sustituyendo martillos por prensas.
277
“Algunas Páginas Webs”
• www.ficep.co.uk/forging.htm (prensas y
sistemas de corte)
• www.dellegrazie.com.ar (sierras cinta)
• www.elindinduction.com (hornos de inducción)
• www.sms-meer.com (equipos para forja)
• www.strojimport.com (martillos, prensas de
forjado)
• www.jdmcl.com.tw (prensas mecánicas y
balancines)
• www.ajax-ceco.com (recalcadoras de paso
vertical)
278
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• www.granalladora.com (granallas y equipos de
granallado)
• www.coromant.sandvik.com (herramientas de
corte para la fabricación de matrices)
• www.smeral.cz (prensas para forjar)
• www.lasco.de (martillos hidráulicos)
• http://www.schulergroup.com (máquinas para el
forjado)
• http://www.elotherm.de (equipos de
calentamiento por inducción)
279
• http://www.abpinduction.com/ (equipos de
calentamiento por inducción).
• http://www.simufact.com/ (software para
simulación de procesos de forja)
• http://www.ufrgs.br/ldtm/ (laboratorio de
transformación mecánica)
• www.forjasudamericana.com.ar (Empresa de
forjado en caliente)
• http://www.aida-global.com/servopro (Empresa
de fabricación de servo prensas)
280
140
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• www.enomt.co.jp (fabricante de prensas de
tornillo en todas sus variantes).
• www.komatsu.com (fabricante de prensas
mecánicas en todas sus variantes).
• www.hatebur.com (especialista en recalcadoras
automáticas de precisión en frío y caliente de
muy alta producción).
• www.euroforge.org (sitio web de los forjadores
europeos).
• www.moriiron.com (fabricante de prensas
especializado en el proceso de forjado orbital).
281
• www.inti.gob.ar/mecanica
141

El Proceso de Forja en Caliente

Transcripción

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