UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

SEDE BOGOT

EXPOSICIONES EN TEMAS AVANZADOS DE

CONFORMADO DE MATERIALES.

Forja

ESTUDIANTE

Roger Mauricio Prez Cruz

PROFESOR

PhD. Rodolfo Rodrguez Baracaldo

Bogot 27 de febrero de 2015.

1. Introduccin Forja es quiz el mtodo ms antiguo de proceso de materiales, inclusive a

nivel prehistrico, posterior al fuego algunos materiales eran calentados y

golpeados para dar forma especificas en los metales consiste bsicamente en

la deformacin plstica controlada a una forma definida a travs de prensas

que se usan para presionar y para golpear repetidamente el material

alternando una etapa de calentamiento, la forja tiene la ventaja de usarse en

diversas aplicaciones

2. Conceptos Bsicos

El proceso de forja se define como una operacin de conformado mecnico por la

cual se obtienen piezas de seccin transversal irregular al comprimir un bloque

metlico, denominado tocho, entre dos tiles de trabajo llamados estampas,

aprovechando la plasticidad del material. En virtud de los elevados niveles de

deformacin inherentes al proceso, ste se realiza normalmente en caliente.

El proceso de forja lo podemos clasificar en 3 grupos, dependiendo bsicamente

de la forma y del estado del material as:

Segn el equipo

Martillo

Prensa

Segn el Proceso

matriz abierta

matriz cerrada

forja con rodillos

Condiciones del Proceso

Frio

Caliente

FORJA EN FRO: Bsicamente es un proceso que se hace para acabados u

operaciones que tienen porcentajes de deformacin muy pequeas.

FORJA EN CALIENTE: Con el calentamiento correcto de la pieza se aumenta la

capacidad para que esta pueda asumir un sin nmero de formas y dimensiones,

reduciendo las fallas o agrietamiento.

MATRIZ ABIERTA: Este proceso conlleva una alta simplicidad con los diseos ya

que los bloques de impresin carecen de formas especficas, requiere un proceso

posterior para la terminacin de la pieza, sin embargo es muy usada por su bajo

costo y tiempo reducido en la produccin.

Figura 1. Ejemplos de herramienta utilizada en forja libre (http://www.ptolomeo.unam.mx)

MATRIZ CERRADA: Este proceso tiene bloques de impresin con una forma

geomtrica tipo molde (estampas), presionando o golpeando repetidamente se

hace llenar de materia prima el hueco de las estampas en los bloques de

impresin dando una forma especfica al torcho, las estampas pueden tener varias

etapas dependiendo de la complejidad geomtrica o dimensional requerida por la

pieza que se vaya a producir.

FORJA CON RODILLOS: Este proceso usa rodillos para modificar productos

preformados por ejemplo la seccin transversal de barras cilndricas, regularmente

este proceso no es muy utilizado debido a su reducida aplicacin.

Operaciones en el proceso de forjado

Las piezas forjadas requieren una secuencia de pasos para llegar a su forma

definitiva, la denominacin de cada uno de estos pasos se hace en funcin de la

operacin que tiene encomendada (dobladora, iniciadoras, preparadoras,

acabadoras. cortadoras).

Recalcado

Rebordeado

Estrangulacin

Materiales usados en la forja

Las piezas forjadas se dan a partir de materiales que tengan una alta plasticidad a

una temperatura especfica (temperatura de trabajo) , es por esto que los

materiales con estructura FCC, HCP los aceros ms comunes usados en los

procesos de forja son los aceros al carbono y de baja aleacin, aceros inoxidables

Aceros refractarios Aluminio y aleaciones de aluminio Cobre y sus aleaciones

Magnesio y sus aleaciones Titanio y sus aleaciones Nquel y sus aleaciones

Berilio Algunas aleaciones de materiales refractarios, tales como el tungsteno,

niobio y molibdeno

La forjabilidad en los aceros estar determinada por su contenido de carbono y de

otros aleantes. Se pueden clasificar como:

Aceros de forja normal C < 0.65% y Mn + Ni + Cr + Mo + V + W < 5%

Aceros de forja difcil C > 0.65% o Mn + Ni + Cr + Mo + V + W > 5%

Presiones y deformaciones en el proceso

Para este anlisis usaremos en principio el proceso de matriz abierta, de acuerdo

a la siguiente figura se determinaron variables importantes en el proceso

Figura 2. Operacin de ensanchado (el rea sombreada representa el lugar donde

golpea el dado) (http://www.ptolomeo.unam.mx.)

RELACIN DE MORDEDURA: es el parmetro que usan los operadores de las

mquinas para conocer las dimensiones de dichos alargamientos y extensiones.

= Ancho inicial de la pieza

= Longitud que va a ser deformada

Tanto el alargamiento como la extensin pueden ser definidos de la siguiente manera:

Dnde:

Ancho inicial de la pieza

Longitud que va a ser deformada

Tanto el alargamiento como la extensin pueden ser definidos de la siguiente

manera:

Dnde:

Coeficiente de ensanchamiento

Aumento del ancho

Disminucin del espesor

La carga de forja se puede obtener segn la ecuacin:

Dnde:

Carga

Presin promedio

Longitud de la pieza

Ancho de la pieza

Estas aproximaciones del anlisis de las variables del proceso de forja son solo

una aproximacin ya que no es la intencin de este resumen ampliar sobre este

mtodo especfico.

VENTAJAS

La forja provee al material de mejores prestaciones mecnicas como ductilidad, resistencia a la

fatiga y al impacto, debido a la reorientacin del grano

Figura 3. El proceso de la forja abierta modifica la estructura de los cristales.

(http://www.frisaexpress.com)

APLICACIONES

La forja tiene multitud de aplicaciones en distintos campos, como lo son bielas

,cigeales, ejes, rejas, barandillas, cabezas de tornillos y pernos ,remaches , clavos, etc.

Tambin se utiliza en la produccin de piezas mecnicas de acero ms simples y

econmicas como lo son algunas partes de la transmisin y del motor de un automvil,

debido al incremento de la productividad en la cadena de produccin al reducir los

tiempos de fabricacin de las piezas y a la reduccin del uso de maquinaria de

mecanizado.

3.Anlisis del articulo seleccionado

D.J. Politis , J. Lina, T.A. Deanb, D.S. Balint .November 2014. An investigation into the

forging of Bi-metal gears. Journal of Materials Processing Technology. Volume 214. Pages

2248-2260

Investigacin sobre la forja de engranajes bimetlicos

Este documento presenta un mtodo para la produccin de engranajes bi-

metlicos utilizando la tcnica de forja, utilizando diferentes materiales como el

cobre (material del anillo de dientes) y plomo (material del ncleo) a travs de

ensayos experimentales y simulaciones

Gracias a los re-diseos que han tenido que experimentar las empresas

manufactureras debido al aumento de los costos asociados al combustible, se ha

desarrollado una competencia por la eficiencia, peso y alta calidad de elementos

bsicos como los engranajes procurando mantener costos bajos pero mejores

prestaciones mecnicas, este es el caso de los engranajes bimetlicos

El trabajo descrito en este documento es un esfuerzo por evaluar el viabilidad de

un mtodo propuesto para producir engranajes bi-metlicos mediante la

combinacin de dos componentes

La figura mostrada anteriormente muestra el equipo que se usa para la produccin

de los engranajes teniendo en cuenta un mtodo llamado electric discharge

machining (EDM).

Parte Experimental

La configuracin de la mquina para la fabricacin de engranajes rectos BI-

metlicos se ha usado por (Sadeghi y Dean, 1994), engranajes helicoidales

(Behrens et al., 2007) y engranajes bi-metlicos (Politis et al., 2012).

Figura 5. Components: (a) lead core; (b) copper ring and (c) ring-core assembly

Con el fin de eliminar la temperatura como variable de las pruebas, se realizaron

pruebas de temperatura ambiente usando cobre (C101) y el plomo

comercialmente puro, ya que son altamente dctiles a temperatura ambiente. El

cobre se utiliza como un material de modelo para el anillo de la superficie exterior

para un mayor rendimiento, y el plomo se utiliza para actuar como un material de

modelo para el ncleo con un rendimiento inferior, como se muestra en anterior

figura.

Para comprender el proceso de bi- metal que forma y el flujo de la dos materiales

durante la forja , un modelo de Abaqus CAE fue creado por slo un nico diente

explotando la simetra del problema con el fin de reducir el tiempo total de

simulacin

Procedimientos Numricos

se realiz una simulacin y unos ensayos para hacer la comparacin que se

encontraba en la parte de laboratorio y simulacin. La grfica muestra los datos

esfuerzo Vs deformacin para el anillo de cobre y el ncleo de plomo, se

obtuvieron de ensayos de compresin utilizando 250 kN y 50 kN mquinas de

prueba universal. Las dimensiones de las probetas eran 8 mm de dimetro por 12

mm de altura. Las superficies superior e inferior de las muestras se pulieron a un

1um a fin de reducir la friccin entre el rodillo y la probeta

el 65 % de las pruebas dieron un resultado promedio del esfuerzo real para el

cobre y el plomo.

CONCLUSIONES

En esta investigacin, los engranajes bi-metlicos se han forjado con una material

de ncleo de plomo y una periferia de cobre a temperatura ambiente. Los

espesores de anillo en diferentes lugares a lo largo del engranaje forjado, el diente

se midi y se compar con los resultados de la simulacin Para estimar y

comprender los efectos de friccin en el bimetlico debido proceso de forja. Las

siguientes conclusiones se pueden extraer de la investigacin

Los aros superficiales de cobre con pequeos espesores pueden sufrir

deformaciones excesivas a tal punto de perder el punto de contacto.

El flujo de material en engranajes bi-metlicos forjados son afectados por la

diferencia en el valor del flujo de esfuerzo de los dos metales . La

combinacin acero-plomo es la que presenta mayor diferencia entre los

flujos de esfuerzos a lo largo del engranaje.

Las diferencias entre la parte simulada y experimental , es que el flujo del

material y las superficies asimtricas generan una separacin en el anillo de

2mm. Es posible que existan algunos factores que intervengan en la parte

experimental por ejemplo , los lubricantes.

4.Referencias

Dieter, G. E. (1976). Mechanical metallurgy. New York: McGraw-Hill. D.J. Politis , J. Lina, T.A. Deanb, D.S. Balint .November 2014. An investigation into

the forging of Bi-metal gears. Journal of Materials Processing Technology. Volume

214. Pages 2248-2260

Taylan Altan, Gracious Ngaile, Gangshu Shen.2005.Cold and Hot Forging: Fundamentals and Applications.United States of America.ASM International.

Jhon A. Schey . 2002 . Procesos de manufactura. Tercera Edicion . Mxico. Mc

Graw Hill.

Serope Kalpakjian, Steven R. Schmid, Ulises rev. tc Figueroa Lpez.

2002.Manufactura, Ingenieria y tecnologia. Cuarta edicin. Mxico. Pearson

Educacin.

ASM Handbook Volume 14A, Metalworking: Bulk Forming (ASM International)