La forja es un método de procesamiento de metales que utiliza máquinas de forjar para aplicar presión a piezas metálicas, produciendo deformación plástica que da como resultado piezas forjadas con propiedades mecánicas, formas y tamaños específicos. Es uno de los dos componentes de la forja, junto con el estampado.
La forja elimina defectos como la porosidad de la fundición en el proceso de fundición, al tiempo que optimiza la microestructura. Además, dado que se conserva toda la aerodinámica del metal, las propiedades mecánicas de las piezas forjadas son generalmente superiores a las de las piezas fundidas hechas del mismo material.
A excepción de placas laminadas, perfiles o piezas soldadas con formas simples, las piezas forjadas se utilizan principalmente para componentes cruciales que experimentan cargas elevadas y condiciones de trabajo severas en las máquinas relevantes.
1. Temperatura de deformación
La temperatura de recristalización inicial del acero es de aproximadamente 727°C. Sin embargo, normalmente se considera que 800°C es el límite para la forja en caliente. La forja por encima de 800°C se llama forja en caliente, mientras que la forja entre 300°C y 800°C se llama forja en caliente o semicaliente. La forja a temperatura ambiente se llama forja en frío.
La forja en caliente es el método más utilizado para fabricar piezas forjadas en la mayoría de las industrias. La forja en frío y en caliente, por otro lado, se utiliza principalmente en las industrias de automoción, maquinaria general y otras industrias de producción de piezas. Estos métodos pueden ahorrar materiales de manera eficiente.
2. Tipos de Forja
Como se mencionó anteriormente, la forja se puede clasificar en forja en caliente, forja en caliente y forja en frío según la temperatura. Además, se puede clasificar en forja libre, forja con matriz, laminación de anillos y forja especializada según el mecanismo de formación.
1) Forja libre
La forja libre es un método de procesamiento que implica el uso de herramientas universales simples o la aplicación directa de fuerza externa para deformar una pieza en bruto entre el yunque superior e inferior del equipo de forja para obtener la geometría y la calidad interna requeridas.
Las piezas forjadas producidas con este método se conocen como forjas libres y normalmente se producen en lotes pequeños.
Para crear piezas forjadas calificadas, se utilizan diversos equipos de forja, como martillos de forja y prensas hidráulicas, para dar forma y procesar la pieza en bruto.
Los procesos fundamentales de la forja libre incluyen recalcar, estirar, punzonar, cortar, doblar, torcer, desplazar y forjar. Este método suele emplear técnicas de forjado en caliente.
2) Forja a presión
La forja con matriz se puede clasificar en dos tipos principales: forja con matriz abierta y forja con matriz cerrada. Durante este proceso, una pieza metálica se deforma y se presiona en una cámara de molde de forja con una forma específica para crear piezas forjadas.
Normalmente, la forja con matriz se utiliza para fabricar piezas con pesos pequeños y en lotes grandes. Este proceso se puede dividir en tres tipos: forja en caliente, forja en caliente y forja en frío.
Tanto la forja en caliente como la forja en frío se consideran la dirección futura de la forja con matrices y representan avances en la tecnología de forja. La forja con matrices también se puede clasificar según los materiales utilizados, incluida la forja con matrices de metales ferrosos, la forja con matrices de metales no ferrosos y la conformación de productos en polvo.
En este proceso se utilizan metales ferrosos como el acero al carbono, metales no ferrosos como el cobre y el aluminio y materiales pulvimetalúrgicos.
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La extrusión es un tipo de forjado que se puede clasificar en extrusión de metales pesados y extrusión de metales ligeros.
La forja con matriz cerrada y el recalcado cerrado son dos procesos avanzados de forja con matriz. Una ventaja significativa de estos procesos es la alta tasa de utilización del material, ya que no se producen rebabas.
Con uno o varios procesos, se pueden completar forjados complejos.
Además, la ausencia de rebabas reduce el área de tensión de la forja, lo que resulta en menores cargas requeridas.
Sin embargo, es importante tener en cuenta que los espacios en blanco no se pueden limitar por completo. Por lo tanto, es necesario controlar estrictamente el volumen de la pieza en bruto, gestionar la posición relativa de la matriz de forja y medir la forja para minimizar el desgaste de la matriz de forja.
3) Anillo de molienda
El rectificado de anillos es el proceso de producir piezas de anillos de diferentes diámetros utilizando un equipo especializado conocido como rectificador de anillos. También se utiliza en la producción de piezas de ruedas, incluidos bujes de automóviles y ruedas de trenes.
4) Forja especial
Las técnicas de forjado especiales incluyen forjado por rodillos, laminado en cuña cruzada, forjado radial, forjado con matriz líquida y otros métodos que son más adecuados para producir ciertas piezas de formas complejas.
El forjado por rodillos, por ejemplo, puede servir como un proceso de preformado eficiente que reduce significativamente la cantidad de presión requerida para las operaciones de formado posteriores.
El laminado en cuña cruzada se utiliza para producir bolas de acero, ejes de transmisión y otros componentes similares.
La forja radial, por otro lado, se utiliza para fabricar barriles grandes, ejes escalonados y otros tipos de piezas forjadas.
5) Troquel de forja
Según el modo de movimiento de la matriz de forjado, el forjado se puede dividir en laminado oscilante, forjado oscilante giratorio, forjado por rodillo, laminado en cuña transversal, laminado en anillo y laminado transversal.
El forjado rotativo, el forjado rotativo y el laminado de anillos también se pueden procesar mediante forjado de precisión.
Para mejorar el aprovechamiento de los materiales, se pueden utilizar el forjado por rodillos y el laminado transversal como procesos previos para materiales finos.
Al igual que la forja libre, la forja rotativa también se forma localmente.
Su ventaja es que, en comparación con el tamaño de la forja, también se puede formar cuando la fuerza de forja es pequeña.
En este método de forjado, incluido el forjado libre, el material se expande desde cerca de la superficie de la matriz hasta la superficie libre durante el procesamiento.
Por tanto, es difícil garantizar la exactitud.
Al controlar la dirección del movimiento de la matriz de forjado y el proceso de forjado giratorio por computadora, se pueden obtener productos con formas complejas y alta precisión con una fuerza de forjado baja, como por ejemplo la producción de piezas forjadas como álabes de turbinas de vapor con muchas variedades y tamaños grandes.
El movimiento de los equipos de forja puede no ser coherente con el grado de libertad, que se puede clasificar en los cuatro tipos siguientes:
- Modo de limitación de fuerza de forjado: una prensa de aceite con un bloque deslizante impulsado directamente por la presión del aceite.
- Modo cercano al límite de carrera: una prensa de aceite que impulsa un mecanismo de biela de manivela mediante la presión del aceite.
- Modo de límite de carrera: Prensa mecánica con un deslizador accionado por un mecanismo de manivela, biela y cuña.
- Modo de limitación de potencia: Prensa de tornillo y fricción mediante un mecanismo de tornillo.
Para lograr una alta precisión, se debe prestar atención a evitar la sobrecarga en el punto muerto inferior controlando la velocidad y la posición de la matriz, ya que estos factores pueden afectar la tolerancia de forjado, la precisión de la forma y la vida útil de la matriz.
Además, mantener la precisión requiere ajustar la holgura del riel guía del bloque deslizante, asegurar la rigidez, ajustar el punto muerto inferior y utilizar un dispositivo de transmisión auxiliar.
Para forjar piezas delgadas, lubricar, enfriar y forjar piezas para producción a alta velocidad, el control deslizante puede moverse vertical u horizontalmente. También se pueden utilizar dispositivos de compensación para aumentar el movimiento en otras direcciones.
Los métodos anteriores difieren en la fuerza de forjado requerida, el proceso, la utilización del material, la producción, la tolerancia dimensional y los métodos de lubricación y enfriamiento. Estos factores también afectan el nivel de automatización.
3. Materiales de forja
Los materiales de forja incluyen principalmente acero al carbono y acero aleado de múltiples componentes, así como aluminio, magnesio, cobre, titanio y sus aleaciones. Estos materiales están disponibles en forma de barras, lingotes, polvo metálico y metal líquido.
La relación de forjado se refiere a la relación entre el área de la sección transversal del metal antes de la deformación y el área de la sección transversal después de la deformación. La selección correcta de la velocidad de forjado, la temperatura de calentamiento y el tiempo de mantenimiento razonables, la temperatura de forjado inicial y final razonable y la deformación y velocidad de deformación razonables son esenciales para mejorar la calidad del producto y reducir los costos.
Las barras redondas o cuadradas se utilizan generalmente como piezas en bruto para piezas forjadas de tamaño pequeño y mediano. Estas barras tienen una estructura de grano y propiedades mecánicas uniformes y buenas, forma y tamaño precisos y buena calidad de superficie, lo que las hace convenientes para la producción en masa. Con una temperatura de calentamiento y condiciones de deformación razonables, se pueden producir piezas forjadas de excelente rendimiento sin grandes deformaciones en la forja.
En comparación, los lingotes sólo se utilizan para piezas forjadas grandes. Los lingotes tienen una estructura fundida con grandes cristales columnares y un centro suelto. Por lo tanto, es necesario romper los cristales columnares en granos finos y compactarlos mediante una gran deformación plástica para obtener excelentes microestructuras metálicas y propiedades mecánicas.
La preforma de pulvimetalurgia se puede transformar en forjado en polvo mediante forjado sin flash en estado caliente. La forja en polvo tiene propiedades similares a la forja con troquel general, incluidas buenas propiedades mecánicas y alta precisión, y puede reducir el corte posterior. La estructura interna del forjado en polvo es uniforme sin segregación, lo que la hace ideal para engranajes pequeños y otras piezas de trabajo. Sin embargo, el precio del polvo es mucho más elevado que el de las barras en general, lo que limita su aplicación en la producción.
La forja a presión con metal líquido es un método de formación entre la fundición a presión y la forja a presión. Al aplicar presión estática al metal líquido vertido en el orificio de la matriz para solidificarlo, cristalizarlo, fluir, deformarse plásticamente y moldearse bajo la acción de la presión, se pueden obtener piezas forjadas con la forma y propiedades requeridas. Este método es particularmente adecuado para piezas complejas de paredes delgadas que son difíciles de formar mediante forjado general.
Finalmente, las aleaciones forjadas de superaleaciones a base de hierro, superaleaciones a base de níquel y superaleaciones a base de cobalto también pueden completarse mediante forja o laminación. Sin embargo, estas aleaciones son relativamente difíciles de forjar debido a su estrecha zona plástica. Por lo tanto, existen requisitos estrictos para la temperatura de calentamiento, la temperatura de forjado abierto y la temperatura de forjado final de diferentes materiales.
4. Flujo del proceso
Varios métodos de forjado emplean diferentes procesos y, entre ellos, el forjado en caliente tiene el flujo de proceso más largo.
La secuencia típica es la siguiente: moldear la pieza de forja → calentar la pieza de forja → preparar la pieza de forja laminando → forjado → corte → punzonado → corrección → inspección intermedia para verificar el tamaño y los defectos superficiales de la forja → tratamiento térmico de la forja para eliminar tensiones y mejorar el rendimiento del corte de metales → limpieza para eliminar incrustaciones de óxido en la superficie → corrección → inspección.
Por lo general, las piezas forjadas se someten a inspecciones de apariencia y dureza, mientras que piezas forjadas importantes también se someten a inspecciones para análisis de composición química, propiedades mecánicas, tensión residual y otras pruebas no destructivas (NDT).
5. Características de las forjas
En comparación con las piezas fundidas, la forja puede mejorar la microestructura y las propiedades mecánicas de los metales.
Cuando el metal se deforma y recristaliza mediante el método de forjado en caliente, las estructuras originales de granos dendríticos columnares gruesos se transforman en estructuras de recristalización equiaxiales con granos más finos y uniformes. Este proceso hace que la segregación, porosidad, inclusión de escorias y otras imperfecciones originales del lingote sea más compacto y soldado, lo que mejora la plasticidad y propiedades mecánicas del metal.
Las propiedades mecánicas de las piezas fundidas son generalmente inferiores a las de las piezas forjadas del mismo material.
Además, el forjado asegura la continuidad de la estructura de fibra metálica y mantiene la consistencia de la estructura de fibra con la forma de las piezas forjadas. El proceso completa la línea de flujo de metal y garantiza que las piezas tengan buenas propiedades mecánicas y una larga vida útil.
Las piezas forjadas producidas mediante forjado de precisión, extrusión en frío, extrusión en caliente y otros métodos son superiores a las piezas fundidas.
Forjar implica presionar el metal hasta darle la forma deseada o aplicar una fuerza de compresión adecuada mediante deformación plástica, generalmente usando un martillo o presión. El proceso de forja refina la estructura de las partículas y mejora las propiedades físicas del metal. En aplicaciones prácticas, una pieza correctamente diseñada puede dirigir el flujo de partículas en la dirección de la presión primaria.
La fundición es el proceso de obtener un objeto moldeado a partir de metal mediante varios métodos de fundición. El metal líquido fundido se inyecta en un molde preparado mediante fundición, inyección, succión u otras técnicas de fundición. Luego, el objeto se enfría, se le deja caer arena, se limpia y se somete a un tratamiento posterior para lograr una forma, tamaño y rendimiento específicos.
