FORJABILIDAD DE LOS METALES. DEFECTOS DEL FORJADO Por lo genera general, l, la forjab forjabili ilidad dad se defin define e como como la capaci capacidad dad de un materi material al para para someterse someterse a deformaci deformación ón sin agrietars agrietarse. e. Se han desarroll desarrollado ado varias varias pruebas pruebas para cuantificar la forjabilidad; sin embargo, debido a su naturaleza compleja, sólo dos pruebas simples han tenido aceptación general: el recalcado y la torsión en caliente. Defectos del forjado. forjado . Adems del agrietamiento de la superficie durante el forjado, tambi!n se pueden desarrollar otros defectos debido al patrón de flujo del material en la matriz matriz.. Por Por ejemp ejemplo, lo, si no e"iste e"iste sufic suficien iente te volume volumen n de materi material al para para llena llenarr la cavidad de la matriz, el alma se puede torcer durante el forjado y desarrollar pliegues. Por otro lado, si el alma es demasiado gruesa, el e"ceso de material fluye nuevamente sobre las partes ya formadas de la forja y desarrolla grietas internas.
#os diversos radios en la cavidad de la matriz de forjado pueden influir de manera significativa en la formación de dichos defectos. #os defectos internos tambi!n se pueden desarrollar por $a% deformación no uniforme del material en la cavidad de la matriz, $b% los gradientes de temperatura a lo largo de la pieza de trabajo durante el
forjado y $c% los cambios microestructurales a causa de las transformaciones de las fases. &ambi!n es importante el patrón de flujo de los granos del material en el forjado. #as l'neas de flujo pueden alcanzar una superficie en forma perpendicular, como se muestra en la figura (sta condición, conocida como granos de orilla, e"pone los l'mites de los granos directamente al ambiente, )ue los puede atacar desarrollando una superficie rugosa, actuando adems como elevadores de esfuerzos. #os defectos de forjado pueden causar fallas por fatiga y otros problemas como la corrosión y el desgaste durante la vida *til del componente forjado. (s obvia la importancia de inspeccionar las forjas antes de ponerlas en servicio, sobre todo en aplicaciones cr'ticas, como en el caso de los aviones.
DIVERSAS OPERACIONES DE FORJADO
Para proporcionar la forma y las caracter'sticas deseadas a los productos forjados, se realizan muchas otras operaciones relacionadas con el proceso bsico de forjado. Acuñado. Se trata de un proceso de forjado en matriz cerrada )ue por lo general se utiliza en el tro)uelado de monedas, medallas y joyer'a. #a pieza en bruto o trozo de metal se acu+a en la cavidad de una matriz completamente cerrada. Para producir detalles finos $por ejemplo, el detalle en monedas reci!n tro)ueladas%, las presiones re)ueridas pueden ser tan elevadas como cinco o seis veces la resistencia del material. (n algunas partes es posible )ue se re)uieran varias operaciones de acu+ado. (n !ste no se pueden aplicar lubricantes, por)ue )uedar'an atrapados en las cavidades de la matriz y, al no poder comprimirse, evitar'an la reproducción total de los detalles de la superficie de la matriz y el acabado superficial. (l marcado de partes con letras y n*meros tambi!n se puede realizar con rapidez por medio de este proceso Cabeceado. &ambi!n conocido como forjado por recalcado, el cabeceado es bsicamente una operación de recalcado )ue por lo general se efect*a en el e"tremo de una barra redonda o alambre para aumentar la sección transversal. #os ejemplos t'picos son los clavos, las cabezas de tornillos, los pernos, remaches y muchos otros sujetadores. (l cabeceado puede realizarse en fr'o, en caliente o a temperatura media.
na consideración importante en !l es la tendencia de la barra a curvarse si su relación de longitud a dimetro sin soporte es demasiado elevada. Por lo general, esta relación se limita a menos de -:, pero con las matrices apropiadas puede ser ms alta. Por ejemplo, se pueden tolerar relaciones ms altas si el dimetro de la cavidad de la matriz no es mayor a ./ veces el dimetro de la barra. #as operaciones de cabeceado se efect*an en m)uinas conocidas como cabeceadoras, )ue suelen automatizarse en gran medida con velocidades de producción de cientos de piezas por minuto para partes pe)ue+as. 0peraciones de cabeceado en caliente en piezas ms grandes se realizan com*nmente en recalcadores horizontales. (stas m)uinas tienden a ser ruidosas; se re)uiere una cubierta a prueba de ruido o el uso de protectores auditivos. #as operaciones de cabeceado se pueden combinar con procesos de e"trusión en fr'o para fabricar varias partes.
Penetrado. (ste es un proceso de penetración de la superficie de una pieza de trabajo $aun)ue sin pasar a trav!s de ella% con un punzón para producir una cavidad o una impresión. 1icha pieza se puede confinar en un contenedor $como la cavidad de una matriz% o dejar sin restricciones. Su deformación depender de cunto se limita su flujo conforme desciende el punzón. (jemplos comunes de penetrado son el ahuecamiento y la cavidad he"agonal en las cabezas de los tornillos. 1espu!s del penetrado, puede seguir el tro)uelado para producir un orificio en la parte $para una descripción similar de esta situación. (l penetrado tambi!n se utiliza para producir regiones huecas en las forjas mediante e)uipo au"iliar de acción lateral. #a fuerza de penetrado depende de $a% el rea de la sección transversal y la geometr'a de la punta del punzón, $b% la resistencia del material, y $c% la magnitud de la fricción en las interfaces de deslizamiento. #a presión puede ser de tres a cinco veces la resistencia del material, )ue se encuentra casi al mismo nivel de esfuerzo re)uerido para efectuar una penetración en las pruebas de dureza
Punzonado de cavidades o clavado. (ste proceso consiste en prensar un punzón endurecido con una geometr'a especial de la punta, dentro de la superficie de un blo)ue de metal. #a cavidad producida se utiliza despu!s como matriz para operaciones de formado, como las )ue se utilizan para art'culos de mesa. Por lo
general, la cavidad de la matriz es poco profunda; para cavidades ms profundas se puede eliminar parte del material de la superficie mediante ma)uinado antes del clavado. #a fuerza de clavado se puede calcular a partir de la ecuación Fuerzade clavado = 3 ( UTS )( A )
Forjado orbital. (ste es un proceso en el )ue la matriz superior se mueve a lo largo de una trayectoria orbital y da forma a la parte de manera progresiva. #a operación es similar a la acción de la mano y del mortero utilizados para moler hierbas y semillas. Aun)ue no son de uso regular, los componentes comunes )ue se pueden forjar mediante este proceso son partes con forma de disco y cónicas, como engranes cónicos y piezas en bruto para engranes. #a fuerza de forjado es relativamente menor debido a )ue en cual)uier instante espec'fico el contacto de la matriz se concentra en una pe)ue+a rea de la pieza de trabajo $ver tambi!n forjado progresivo a continuación%. #a operación es silenciosa y las partes se pueden formar en 2 a 32 ciclos de la matriz orbital.
Forjado progresivo. (n este proceso, se forja una pieza en bruto dndole forma con una herramienta )ue la trabaja en varios pasos pe)ue+os. 0bs!rvese )ue esta operación es similar a la forja de desbaste, en la )ue la matriz penetra la pieza en bruto a diferentes profundidades a lo largo de la superficie. 1ebido a )ue el rea de contacto de la matriz es ms pe)ue+a, este proceso re)uiere fuerzas mucho menores en comparación con el forjado convencional por matriz de impresión y las herramientas son ms simples y menos costosas.
Forjado isotérmico. &ambi!n se conoce como forjado por matriz en caliente. #as matrices en este proceso se calientan a la misma temperatura )ue la de la pieza de
trabajo caliente. 4omo permanece caliente, durante el forjado se mantienen la resistencia baja y la alta ductilidad de la pieza de trabajo. Adems, la carga de forjado es baja y se mejora el flujo del material dentro de la cavidad de la matriz. Se pueden forjar isot!rmicamente partes complejas, con buena precisión dimensional para una forma casi neta con un golpe en una prensa hidrulica. Por lo general, las matrices para forjado en caliente de aleaciones de alta temperatura estn hechas de aleaciones de n')uel y molibdeno $debido a su resistencia a altas temperaturas%, aun)ue para las aleaciones de aluminio se pueden utilizar matrices de acero. (l forjado isot!rmico es costoso y la velocidad de producción es baja. Sin embargo, puede ser económico para forjas intrincadas especiales, fabricadas con materiales como el aluminio, titanio y superaleaciones, siempre )ue la cantidad re)uerida sea suficientemente grande para justificar los costos de las matrices.
Forjado rotatorio. (n este proceso $tambi!n conocido como forjado radial, forjado rotatorio o simplemente estampado%, una barra sólida o tubo se somete a fuerzas de impacto radial por medio de una serie de matrices reciprocantes de la m)uina. #os movimientos de las matrices se obtienen mediante una serie de rodillos en una jaula, por miedo de una acción similar a la de un rodamiento de rodillos. #a pieza de trabajo se mantiene estacionaria y las matrices giran $mientras se mueven radialmente en sus ranuras%, golpeando la pieza a velocidades tan altas como 32 golpes por segundo. (n las m)uinas de estampado con matrices de cierre, los movimientos de las matrices se obtienen mediante el movimiento alternativo de cu+as. #as matrices se pueden abrir ms )ue las de las forjadoras rotatorias, soportando as' partes de dimetro grande o variable. (n otro tipo de m)uina, las matrices no giran, sino )ue se mueven radialmente adentro y afuera. #os productos comunes fabricados por este m!todo son las hojas de los desarmadores y las puntas de hierro para soldadoras. (l proceso de forjado rotatorio tambi!n se puede utilizar para ensamblar accesorios en cables y alambres; en dichos casos, el accesorio tubular se estampa directamente en el cable. (ste proceso se usa asimismo para operaciones como punteado $ahusado de la punta de una parte cil'ndrica% y dimensionado $terminación de las dimensiones de una parte%. Por lo general, el forjado rotatorio se limita a un dimetro m"imo de la pieza de trabajo de /2 mm $5 pulgadas%; se han estampado pe)ue+as partes hasta de 2./ mm $2.23 pulgada%. #as tolerancias dimensionales van de 2.2/ a 2./ mm $2.223 a 2.23 pulgada%. (l proceso es adecuado para velocidades medias a altas de producción, en las )ue son posibles velocidades hasta de /2 partes por minuto, dependiendo de la complejidad de la parte. (s un proceso verstil y su longitud sólo se limita por la longitud de la barra )ue soporta el mandril $si se re)uiere alguno%.
Extrusin de tubos. (n este proceso se reduce el dimetro interno y6o espesor del tubo con el uso de mandriles internos o sin !l. Para la tuber'a de dimetro pe)ue+o se puede utilizar alambre de alta resistencia como mandril. #os mandriles tambi!n pueden fabricarse con estr'as longitudinales )ue permiten la e"trusión de tubos con forma interior. Por ejemplo, el estriado en los ca+ones de las armas $estr'as internas en espiral )ue proporcionan el efecto giroscópico a las balas% se puede producir si se estampa un tubo sobre un mandril con estr'as en espiral. Se ha construido ma)uinaria especial para estampar ca+ones de armas y otras partes con dimetros iniciales grandes, hasta de -/2 mm $7 pulgadas%.
MÁQUINAS PARA FORJADO ("iste una variedad de m)uinas para forjado con una gama de caracter'sticas de capacidad $fuerza en toneladas%, velocidades y velocidad8carreras
Prensas !idr"ulicas. (stas prensas funcionan a velocidades constantes y son de carga limitada o restringida. (n otras palabras, una prensa se detiene si la carga re)uerida e"cede su capacidad. Se pueden transmitir grandes cantidades de energ'a a una pieza de trabajo por medio de una carga constante a trav!s de un recorrido, cuya velocidad se puede controlar. Puesto )ue el forjado en una prensa hidrulica es ms tardado )ue en otros tipos de m)uinas de forjado descritos, la pieza de trabajo se puede enfriar con rapidez a menos )ue se calienten las matrices. (n comparación con las prensas mecnicas, las prensas hidrulicas son ms lentas y tienen costos iniciales ms altos, pero re)uieren menor mantenimiento. Por lo general, una prensa hidrulica consiste en un bastidor marco de forja con dos o cuatro columnas, pistones, cilindros, arietes y bombas hidrulicas accionadas por motores el!ctricos. Se puede variar la velocidad del ariete durante el recorrido. #as capacidades de prensado van de 3/ 9 $7,222 toneladas cortas% para forjado de matriz abierta, hasta 7/2 9 $/2,222 toneladas cortas% en Am!rica del orte, 572 9 $3,222 toneladas cortas% en usia para forjado en matriz cerrada. #a viga principal de soporte del tren de aterrizaje del avión ?oeing 7 se forja en una prensa hidrulica de 7/2 9 $/2,222 toneladas cortas%, )ue se muestra en la figura 7.c $con la pieza en la parte frontal%. (sta parte est fabricada con una aleación de titanio y pesa casi -/2 @g $-222 libras%.
Prensas mec"nicas. (stas prensas son bsicamente de tipo manivela o e"c!ntrica $fig. 7.b%. #a velocidad var'a desde un m"imo en el centro del recorrido, hasta cero en su parte inferior, por lo )ue son de recorrido o carrera limitada. #a energ'a en una prensa mecnica se genera con un gran volant'n accionado por un motor el!ctrico. n embrague acopla el volant'n en un eje e"c!ntrico. na biela traduce el movimiento giratorio en movimiento lineal alternativo. 1ebido al dise+o de la unión, se pueden aplicar fuerzas muy altas en este tipo de prensa. #a fuerza disponible en una prensa mecnica depende de la posición del recorrido y se vuelve e"tremadamente alta en la parte inferior del centro muertoB. Por lo tanto, una instalación adecuada es fundamental para evitar )ue se rompan las matrices o los componentes del e)uipo. #as prensas mecnicas tienen altas velocidades de producción, son ms fciles de automatizar y re)uieren menos habilidades del operador )ue otros tipos de m)uinas. #as capacidades de la prensa van de 3. a 2 9 $-22 a 3,222 toneladas cortas%. #as prensas mecnicas son preferibles para el forjado de partes de alta precisión. Prensas de tornillo. (stas prensas obtienen su energ'a de un volant'n, por lo )ue son de energ'a limitada. #a carga de forjado se transmite a trav!s de un tornillo vertical grande y el ariete se para cundo se disipa la energ'a del volant'n. Si las matrices no cierran al final del ciclo, la operación se repite hasta )ue se complete el forjado. #as prensas de tornillo se utilizan para varias operaciones de matriz abierta y matriz cerrada. (n particular, son adecuadas para pe)ue+as cantidades de producción, sobre todo partes delgadas con alta precisión, como los labes de las turbinas. #as capacidades de las prensas van de .7 a 3=2 9 $52 a -,/22 toneladas cortas%. #artillos. #os martillos obtienen su energ'a de la energ'a potencial del ariete, )ue se convierte en energ'a cin!tica, por lo )ue son de energ'a limitada. A diferencia de las prensas hidrulicas, los martillos $como se infiere de su nombre% operan a altas velocidades y el tiempo reducido de formado minimiza el enfriamiento de una forja en caliente. 1e esta manera, las bajas velocidades de enfriamiento permiten el forjado de formas complejas, en especial a)u!llas con cavidades delgadas y profundas. Por lo general, para completar el forjado se realizan varios impactos sucesivos sobre la misma matriz. Cay martillos disponibles en una variedad de dise+os y son el tipo ms verstil y menos costoso de e)uipo de forjado.
#artinetes. (n los martinetes mecnicos, el recorrido del ariete hacia abajo se acelera con presión de vapor, aire o hidrulica hasta casi /2 @Pa $22 psi%. #os pesos de los arietes van de 33/ a 33,/22 @g $/22 a /2,222 libras% con capacidades de energ'a )ue van hasta /2 @D $=/2,222 pies8 libras%. (n la operación de los martinetes por gravedad $proceso conocido como forjado de ca'da libre%, la energ'a se obtiene del ariete en ca'da libre $energ'a potencial%. #a energ'a disponible en un martinete es el producto del peso del ariete por la altura de su ca'da. #os pesos del ariete van de =2 a 7/22 @g $722 a 2,222 libras% con capacidades de energ'a )ue van hasta 32 @D $E2,222 pieslibras%. Contramartillos. (ste martillo tiene dos arietes )ue se acercan al mismo uno al otro, horizontal o verticalmente, a fin de forjar la parte. 4omo en las operaciones de forjado de matriz abierta, la parte se puede girar entre impactos para formar la pieza de trabajo de manera adecuada durante el forjado. #os contramartillos operan a altas velocidades y transmiten menos vibración a sus bases. #as capacidades van hasta 322 @D $E22,222 pies8libras%. #"$uinas de forjado de alto %ndice de energ%a &'E(F). (n este tipo de m)uina, el ariete se acelera rpidamente por medio de gas inerte a alta presión y la parte se forja en un impacto a una gran velocidad. A pesar de )ue e"isten diversos tipos de estas m)uinas, varios problemas asociados con su operación, mantenimiento, ruptura de las matrices y consideraciones de seguridad han limitado en gran medida su uso en la industria.
