INTRODUCIÓN A LA INGENIERÍA MECÁNICA

LA FORJA MANUAL

1. Introducción

La forja: es el proceso que modifica la forma de los metales por deformación plástica producida por presión o impacto. Esta deformación controlada del metal, realizada a alta temperatura, produce mejor calidad metalúrgica y mejora las propiedades mecánicas.

Al calentarla es importante conseguir la uniformidad de temperatura en toda la pieza. Si el corazón del lingote o desbaste está "frío" (menos de 1250º C) pueden aparecer roturas internas, al no tener la misma plasticidad que la superficie.

Forja libre : se caracteriza porque la deformación del metal no está limitada. Es utilizado cuando la cantidad de piezas a fabricar es pequeña o si el tamaño de la pieza a forjar es muy grande.

Existen dos tipos de forja libre: la forja con martillo, donde el lingote del desbaste se apoya en yunque inferior y este a su vez en la "chabota" produciéndose la deformación por los fuertes golpes de la maza que cae sobre el lingote; y la forja en prensa, los lingotes grandes se sitúan entre el yunque superior y el inferior de prensas hidráulicas.

Forja por estampación : la fluencia del material queda limitada a la cavidad de la estampa. El material se coloca entre dos matrices que tienen huecos grabados con la forma de la pieza que se desea obtener. El metal llena completamente los huecos de la estampa por medio de golpes o presión empleando martillos o prensas. El proceso de estampado termina cuando las dos matrices llegan a ponerse prácticamente en contacto.

Se puede realizar en caliente (unos 1000ºC), en semicaliente (entre 850ºC y 1250ºC) o en frío (temperatura ambiente).

2. Productos: Entre los tantos productos que se pueden manipular por medio de la forja manual podemos encontrar, todo tipo de metales, los cuales se trabajan a diferentes temperaturas dependiendo del metal, ya que no todos los metales se pueden trabajar a las mismas temperaturas. Un lingote de acero tiene un uso muy reducido hasta que le es dada una forma tal que pueda usarse en un proceso de manufactura.

La mayoría de los metales ferrosos se trabajan en frío o se terminan en frío después del trabajo en caliente para obtener un buen acabado superficial, alta exactitud dimensional y mejorar las propiedades mecánicas.

El término acabado en caliente, se refiere a barras de acero, placas o formas estructurales que se usan en estado "laminado" en el que se obtienen de las operaciones de trabajo en caliente. Se hacen algunos desescamados pero por lo demás el acero está listo para usarse en puentes, barcos, carros de ferrocarril, y otras aplicaciones en donde no se requieren tolerancias cerradas. El material tiene buena soldabilidad y maquinabilidad, dado que el contenido de carbono es menor del 0.25%.

3. Operaciones:

Los principales métodos de trabajo en caliente de los metales son:

A. Laminado C. Extrusión

B. Forjado D. Manufactura de tubos

1.Forja de herrero o con martillo E. Embutido

2.Forja con martinete F. Rechazado en caliente

3.Forja horizontal G. Métodos especiales

4.Forja con prensa

5.Forja de laminado

6.Estampado

DEFORMACION PLASTICA

Los dos tipos principales de trabajo mecánico en los cuales el material puede sufrir una deformación plástica y cambiarse de forma son trabajos en caliente y trabajos en frío

Como muchos conceptos metalúrgicos, la diferencia entre trabajo en caliente y en frío no es fácil de definir. Cuando al metal se le trabaja en caliente, las fuerzas requeridas para deformarlo son menores y las propiedades mecánicas se cambian moderadamente. Cuando a un metal se le trabaja en frío, se requieren grandes fuerzas, pero el esfuerzo propio del metal se incrementa permanentemente.

La temperatura de recristalización de un metal determina si el trabajo en caliente o en frío está siendo cumplido o no. El trabajo en caliente de los metales toma lugar por encima de la recristalización o rango de endurecimiento por trabajo. El trabajo en frío debe hacerse a temperaturas abajo del rango de recristalización y frecuentemente es realizado a temperatura ambiente. Para el acero, la recristalización permanece alrededor de 500 a 700 °C, aunque la mayoría de los trabajos en caliente del acero se hacen a temperaturas considerablemente arriba de este rango. No existe tendencia al endurecimiento por trabajo mecánico hasta que el limite inferior del rango recristalino se alcanza. Algunos metales, tales como el plomo y el estaño, tienen un bajo rango recristalino y pueden trabajarse en caliente a temperatura ambiente, pero la mayoría de los metales comerciales requieren de algún calentamiento. Las composiciones aleadas tienen una gran influencia sobre todo en el rango de trabajo conveniente, siendo el resultado acostumbrado aumentar la temperatura del rango recristalino. Este rango también puede incrementarse por un trabajo anterior en frío.

Durante todas las operaciones de trabajo en caliente, el metal está en estado plástico y es formado rápidamente por presión. Adicionalmente, el trabajo en caliente tiene las ventajas siguientes:

1. La porosidad en el metal es considerablemente eliminada. La mayoría de los lingotes fundidos contienen muchas pequeñas sopladuras. Estas son prensadas y a la vez eliminadas por la alta presión de trabajo.

2. Las impurezas en forma de inclusiones son destrozadas y distribuidas a través del metal.

3. Los granos gruesos o prismáticos son refinados. Dado que este trabajo está en el rango recristalino, seria mantenido hasta que el límite inferior es alcanzado para que proporcione una estructura de grano fino.

4. Las propiedades físicas generalmente se mejoran, principalmente debido al refinamiento del grano. La ductilidad y la resistencia al impacto se perfeccionan, su resistencia se incrementa y se desarrolla una gran homogeneidad en el metal. La mayor resistencia del acero laminado existe en la dirección del flujo del metal.

5. La cantidad de energía necesaria para cambiar la forma del acero en estado plástico es mucho menor que la requerida cuando el acero está frío.

LAMINADO

Los lingotes de acero que no son refusionados y fundidos en moldes se convierten en productos utilizables en dos pasos:

1. Laminando el acero en formas intermedias-lupias, tochos y planchas. 2. Procesando lupias, tochos y planchas en placas, láminas, barras, formas

estructurales u hojalata.

El acero permanece en las lingoteras hasta que su solidificación es casi completa, que es cuando los moldes son removidos. Mientras permanece caliente, los lingotes se colocan en hornos de gas llamados fosos de recalentamiento, en donde permanecen hasta alcanzar una temperatura de trabajo uniforme de alrededor de 1200 °C en todos ellos. Los lingotes entonces se llevan al tren de laminación en donde debido a la gran variedad de formas terminadas por hacer, son primero laminadas en formas intermedias como lupias, tochos o planchas. Una lupia tiene una sección transversal con un tamaño mínimo de 150 x 150 mm. Un tocho es más pequeño que una lupia y puede tener cualquier sección desde 40 mm hasta el tamaño de una lupia. Las planchas pueden laminarse ya sea de un lingote o de una lupia. Tienen un área de sección transversal rectangular con un ancho mínimo de 250 mm y un espesor mínimo de 40 mm. El ancho siempre es 3 o más veces el espesor y puede ser cuando mucho de 1500 mm. Placas, plancha para tubos y fleje se laminan a partir de planchas.

Forja Abierta o de Herrero

Este tipo de forja consiste en martillar el metal caliente ya sea con herramientas manuales o entre dados planos en un martillo de vapor. La forja manual, como

la hecha por el herrero, es la forma más antigua de forjado. La naturaleza del proceso es tal que no se obtienen tolerancias cerradas, ni pueden hacerse formas complicadas. El rango de forjado va desde unos cuantos kilogramos y sobrepasa los 90 Mg lo que puede hacerse por forja de herrero.

Los martillos de forja se hacen con bastidor del tipo sencillo o abierto para el claro de trabajo, mientras que el tipo de bastidor doble se hace para servicio pesado. Un martinete típico de vapor se muestra en la Fig.5. La fuerza del golpe es severamente controlada por el operador, y se requiere considerable habilidad para el uso de esta máquina.

Estampado

El estampado difiere de la forja con martillo en que se usa más bien una impresión cerrada que dados de cara abierta. La forja se produce por presión o impacto, lo cual obliga al metal caliente y flexible a llenar la forma de los dados. En esta operación existe un flujo drástico del metal en los dados causado por los golpes repetidos sobre el metal. Para asegurar el flujo propio del metal durante los golpes intermitentes, las operaciones se dividen en un número de pasos. Cada paso cambia la forma gradualmente, controlando el flujo del metal hasta que la forma final se obtiene. El número de pasos requeridos varia de acuerdo al tamaño y forma de la pieza, las cualidades de forja del metal y las tolerancias requeridas. Para productos de formas grandes y complicadas una operación de formado preliminar, usando más de un juego de dados, puede requerirse.

Forjado en Prensa

Las prensas de forjado emplean una acción lenta de compresión deformando el metal plástico, contrariamente al rápido impacto del golpe del martillo. La acción de compresión es mantenida completamente hasta el centro de la pieza que está prensándose, trabajando a fondo la sección completa. Estas prensas son del tipo vertical y pueden ser operadas ya sea mecánica o hidráulicamente. Las prensas mecánicas, cuya operación es más rápida, pueden ejercer una fuerza de 4 a 90 MN.

La presión necesaria para formar el acero a temperatura de forja varía desde 20 hasta 190 MPa. Tales presiones están basadas en la superficie de la sección transversal de la pieza forjada cuando ésta se mide sobre la línea de partición del dado.

Para el forjado de pequeñas piezas, se usan estampas, y una sola carrera del apisonador es normalmente necesaria para realizar la operación de forja. La máxima presión es alcanzada en el extremo de la carrera cuando se fuerza al metal dentro de la forma. Los dados pueden montarse como unidades separadas, o todas las impresiones pueden ponerse en un solo bloque. Para pequeñas piezas forjadas son más convenientes unidades individuales de dados. Existen algunas diferencias para el diseño de dados para metales diferentes. La forja de aleaciones de cobre puede hacerse con menos ensayos

que en acero; consecuentemente, pueden producirse formas más complicadas. Estas aleaciones fluyen bien en el dado y son extruidas rápidamente.

Forjado Horizontal

El forjado horizontal implica la sujeción de una barra de sección uniforme en dados y se aplica una presión sobre el extremo caliente, provocando el que sea recalcado o formado según el dado. La longitud de la barra a ser recalcada no puede ser mayor de dos o tres veces el diámetro, pues si no el material se doblará en vez de expandirse para llenar la cavidad del dado.

Para algunos productos la operación principal puede completarse en una posición, aunque en la mayoría de los casos la pieza es progresivamente colocada en diferentes posiciones en el dado. Las impresiones pueden estar en el punzón, en el dado fijo o en ambos. En muchas ocasiones las piezas forjadas no requieren de una operación de recorte. Máquinas de este tipo son una consecuencia de pequeñas máquinas diseñadas para hacerles cabeza en frío a clavos y pequeños tornillos.

Forja por Laminado

Las máquinas para forja por laminado son primeramente adaptadas para operaciones de reducción y conificación sobre barras de acero de pequeña longitud. Los rodillos de estas máquinas no son completamente circulares sino que son cortados de un 25 a un 75% para permitir la entrada de la materia prima entre los rodillos. La porción circular de los rodillos se ranura de acuerdo a la forma que quiere darse. Cuando los rodillos están en posición abierta el operador coloca la barra caliente entre ellos, reteniéndola con tenazas. Como los rodillos giran, la barra es agarrada por las ranuras de los mismos y empujada hacia el operador. Cuando los rodillos se abren, la barra es empujada hacia atrás y laminada de nuevo, o se le coloca en la ranura contigua para la operación siguiente de laminado. Girando la barra 90° después de cada paso de laminado, no existe la oportunidad de formar rebabas.

Extrusión Directa

Un tocho cilíndrico caliente se coloca dentro de la cámara del dado, el falso bloque y el apisonador se colocan en posición. El metal es extruido a través del dado abriéndolo hasta que sólo queda una pequeña cantidad. Entonces es cortado cerca del dado y se elimina el extremo.

Extrusión Indirecta

La extrusión indirecta, es similar a la extrusión directa excepto que la parte extruida es forzada a través del vástago apisonador. Se requiere menos fuerza por este método, debido a que no existe fuerza de rozamiento entre el tocho y la pared continente. El debilitamiento del apisonador cuando es hueco y la imposibilidad de proveer soporte adecuado para la parte extruida constituyen las restricciones de este proceso.

Extrusión por Impacto

En la extrusión por impacto un punzón es dirigido al pedazo de metal con una fuerza tal que éste es levantado a su alrededor. La mayoría de las operaciones de extrusión por impacto, tales como la manufactura de tubos plegables, son trabajadas en frío. Sin embargo hay algunos metales y productos, particularmente aquellos en los cuales se requieren paredes delgadas, en los que los pedazos de metal son calentados a elevadas temperaturas. La extrusión por impacto es cubierta en el capitulo siguiente sobre trabajo en frío.

4. Herramientas:

Si el lingote es admitido en frío, se vuelve bastante difícil, si no imposible, convertir el material por medios mecánicos en una forma estructural, acero en barra o lámina. Sin embargo, si el lingote se trabaja en caliente, puede martillarse, prensarse, rolarse o extruirse en otras formas. Debido a la desoxidación y otras desventajas del trabajo en caliente a temperaturas elevadas, La forja fue el primer método de trabajo en caliente. Una prensa movida por una fuente de potencia general y una banda desde los árboles, tiene un brazo descendente y golpea un pedazo caliente de metal colocado en un dado. Los procesos, mientras la tecnología se ha mejorado, hoy permanecen semejantes.

La mayoría de los laminados primarios se hacen ya sea en un laminador reversible de dos rodillos o en un laminador de rolado continuo de tres rodillos. En el laminador reversible dedos rodillos, la pieza pasa a través de los rodillos, los cuales son detenidos y regresados en reversa una y otra vez. A intervalos frecuentes el metal se hace girar 90° sobre su costado para conservar la sección uniforme y refinar el metal completamente.

Los dos tipos principales de martillos de estampado son el martinete de vapor y el martinete de caída libre o martinete de tablón. En el primero el apisonador y el martillo son levantados por vapor, y la fuerza del golpe es controlada por estrangulamiento del vapor. Con estos martinetes, los cuales trabajan rápidamente, se obtienen sobre 300 golpes por minuto. El rango de capacidades de los martinetes de vapor va desde 2 hasta 200 kN. Son normalmente diseñados de doble bastidor, con un cilindro de vapor ensamblado en su parte superior que provee la potencia para actuar el apisonador. Para una masa dada del apisonador un martinete de vapor desarrollará el doble de la energía sobre el dado que la que podría obtenerse de un martinete de caída libre o de tablón.

El martinete de forja por impacto, tiene dos cilindros opuestos en un plano horizontal el cual acciona los impulsores y los dados uno hacia el otro. El material se posiciona en el plano de impacto en el cual los dados chocan. Su deformación absorbe la energía y no hay choque o vibración en la máquina. Con este proceso al material se le trabaja igualmente en ambos lados; existe menos tiempo de contacto entre el material y el dado; se requiere menos energía que con otros procesos de forja; y el trabajo es realizado mecánicamente.

En el martinete del tipo caída libre la presión de impacto es desarrollada por la fuerza de caída del apisonador y el dado cuando golpea sobre el dado que está fijo abajo. Utiliza aire o vapor para levantar el apisonador. Este tipo de martinete permite la preselección de una serie de golpes de carrera corta o larga. El operador es liberado de la responsabilidad de la regulación de las alturas de la carrera y resultan unos terminados de forja muy uniformes. Los martinetes de este tipo pueden servir para apisonar masas de 225 kg y hasta masas de 4500 kg inclusive. El martinete de caída libre con tablón tiene

algunos tablones de madera endurecida unidos al martillo con el propósito de elevarlo. Después de que el martillo ha caído, unos rodillos arrastran los tablones y levantan el martillo hasta 1.5 m. Cuando la carrera es alcanzada los rodillos se separan y los tablones son sostenidos por unos trinquetes hasta que son liberados por el operador

La mayoría de las prensas usadas en el extruido convencional de metales son de tipo horizontal y operadas hidráulicamente. Las velocidades de operación dependen sobre todo de la temperatura y material, varían de unos cuantos metros sobre minuto hasta 275 m/min.

6. Normas:

Todos los procesos de trabajo en caliente presentan unas cuantas desventajas que no pueden ignorarse. Debido a la alta temperatura del metal existe una rápida oxidación o escamado de la superficie con acompañamiento de un pobre acabado superficial. Como resultado del escamado no pueden mantenerse tolerancias cerradas. El equipo para trabajo en caliente y los costos de mantenimiento son altos, pero el proceso es económico comparado con el trabajo de metales a bajas temperaturas.

Un efecto del trabajo en caliente con la operación de laminado, es el refinamiento del grano causado por recristalización. La estructura gruesa es definitivamente despedazada y alargada por la acción de laminado. Debido a la alta temperatura, la recristalización aparece inmediatamente y comienzan a formarse pequeños granos. Estos granos crecen rápidamente hasta que la recristalización es completa. El crecimiento continúa a altas temperaturas, si además la elaboración no es mantenida, hasta que la temperatura baja del rango recristalino es alcanzada.

Las temperaturas aproximadas de forjado son: acero 1100 a 1250 °C; cobre y sus aleaciones 750 a 925°C; magnesio 370 a 450°C.

Los metales que pueden trabajarse en caliente pueden extruirse con formas de sección transversal uniforme con ayuda de presión. El principio de extrusión, similar a la acción del chorro de la pasta de dientes de un tubo, ha sido muy usado para procesos en serie desde la producción de ladrillos, tubo de desagüe, tubo de drenaje, hasta la manufactura de macarrones. Algunos metales como el plomo, estaño y aluminio pueden extruirse en frío, mientras que otros requieren la aplicación de calor para hacerlos plásticos o semisólidos antes de la extrusión.