Forja

La forja es un proceso de manufactura que implica dar forma al metal. Al igual que la laminación y la extrusión, es un proceso de fabricación de objetos conformado por deformación plástica en el que la deformación del material se produce por la aplicación de fuerzas de compresión.

Este proceso se utiliza para dar una forma y unas propiedades determinadas a los metales y aleaciones a los que se aplica mediante grandes presiones. La deformación se puede realizar de dos formas diferentes: por presión, de forma continua utilizando prensas, o por impacto, de modo intermitente utilizando martillos pilones.

Hay que destacar que es un proceso de conformado de metales en el que no se produce arranque de viruta, con lo que se produce un importante ahorro de material respecto a otros procesos, como por ejemplo el mecanizado.

Tipos

Los principales tipos de forja que existen son:

Forja libre
Forja con estampa
Forjado isotérmico
Recalcado

1. Forja libre

Es el tipo de forja industrial más antiguo. Este se caracteriza porque la deformación del metal no está limitada (es libre) por su forma o masa. Se utiliza para fabricar piezas únicas o pequeños lotes de piezas, donde normalmente éstas son de gran tamaño. Además este tipo de forja sirve como preparación de las preformas a utilizar en forjas por estampa.

También puede encontrarse como forja en dados abiertos.

2. Forja con estampa

BERJAYA — Antes y después de aplicar el proceso de forja con estampa

Este tipo de forja consiste en colocar la pieza entre dos matrices que al cerrarse conforman una cavidad con la forma y dimensiones que se desean obtener para la pieza. A medida que avanza el proceso, ya sea empleando martillos o prensas, el material se va deformando y adaptando a las matrices hasta que adquiere la geometría deseada. Este proceso debe realizarse con un cordón de rebaba que sirve para aportar la presión necesaria al llenar las zonas finales de la pieza, especialmente si los radios de acuerdo de la pieza son de pequeño tamaño y puede estar sin rebaba, dependiendo de si las matrices llevan incorporada una zona de desahogo para alojar el material sobrante (rebaba) o no. Se utiliza para fabricar grandes series de piezas cuyas dimensiones y geometrías pueden variar ampliamente. Las dimensiones de estas piezas van desde unos pocos milímetros de longitud y gramos de peso hasta varios metros y toneladas, y sus geometrías pueden ser simples o complejas.

3. Forjado isotérmico

Artículo principal: Forjado isotérmico

El forjado isotérmico es un tipo especial de forja en la cual la temperatura de los troqueles es significativamente superior a la utilizada en procesos de forja convencional.

4. Recalcado

A diferencia de los procesos anteriores que se realizan en caliente, este además puede realizarse en frío. Consiste en la concentración o acumulación de material en una zona determinada y limitada de una pieza (normalmente en forma de barra). Por tanto, una consecuencia directa de este proceso es que disminuye la longitud de la barra inicial y aumenta la sección transversal de ésta en la zona recalcada. Si el proceso se realiza en frío y en los extremos de las piezas se denomina encabezado en frío.

Aplicaciones

La forja tiene multitud de aplicaciones en distintos campos, como lo son bielas, cigüeñales, ejes, rejas, barandillas, cabezas de tornillos, tuercas y pernos, remaches, clavos, etc.

Efectos que produce la forja en caliente y el forjado isotérmico

Orientación de la fibra: las propiedades mecánicas del producto variarán, mejorándolas si el esfuerzo se aplica en la dirección de la fibra formada por el proceso y empeorándolas si se aplica en dirección perpendicular.
Afinamiento del grano: esto se produce a temperaturas superiores a la de recristalización pero inferiores a la de equicohesión y la forja se realiza con martillos pilones, de modo intermitente. En cambio, el afinamiento no se producirá si se supera la temperatura de equicohesión y la forja se realiza utilizando prensas, de forma continua.
Eliminación de cavidades, poros, sopladuras, etc.: debido a las enormes presiones a las que el material es sometido en la operación, este es compactado y desaparecen las cavidades, poros, sopladuras, etc. (siempre que las paredes de estos defectos no estén oxidadas).

Forja artesanal

En este caso, la forja es el arte del herrero, cuyo trabajo consiste en dar forma al metal por medio del fuego y del martillo.

Una forja contiene básicamente una fragua para calentar los metales (normalmente compuestos de hierro), un yunque y un recipiente en el cual se pueden enfriar rápidamente las piezas forjadas para templarlas. Las herramientas incluyen tenazas para sostener el metal caliente y martillos para golpearlo.

En la forja se modela el metal por deformación plástica y es diferente de otros trabajos del metal en los que se elimina parte del material como en el mecanizado, y de otros procesos por los que se da forma al metal fundido vertiéndolo dentro de un molde (fundición).

Materiales a los que se aplica

Este proceso puede aplicarse a:

Metales puros: aluminio, cobre, titanio y zinc.
Aleaciones: acero, de aluminio, de cobre, de magnesio y bronces

Cálculo ingenieril del proceso

Análisis numérico del proceso de forja

A continuación se expone la formulación matemática necesaria para el cálculo en un proceso de forja libre (véase figura) de la fuerza y potencia requerida^[1]:

Fuerza necesaria para realizar la forja:

$F_{forja}=K_{f}\cdot Y_{f}\cdot A$

donde $K_{f}$ un factor que mayora el cálculo para tener en cuenta la fricción entre material-punzón o la forma de las matrices/estampas, según proceso, $Y_{f}$ es la tensión del material en la dirección del proceso de forja, y $A$ es el área sobre el que se realiza la fuerza de compresión de forjado. Para el caso de forja con estampa, $A$ es el área proyectada de la pieza incluyendo la rebaba.

Para el caso de forja libre, el factor $K_{f}$ se obtiene de:

$K_{f}=1+{\frac {0,4\cdot \mu \cdot D}{h}}$

donde $\mu$ es el coeficiente de rozamiento entre el material y la prensa, y $D$ y $h$ son el diámetro (o longitud de contacto) y la altura de la pieza en el instante calculado. Para el caso de forja con estampa, $K_{f}$ se obtiene de tablas en libros o manuales técnicos:^[1]

En el proceso de forja, el cálculo $Y_{f}$ se realiza como sigue:

$Y_{f}=K\cdot \varepsilon ^{n}$

donde $K$ es el coeficiente de resistencia del material y $n$ es el coeficiente de endurecimiento por acritud, y la deformación real es:

$\varepsilon =ln{\frac {h_{i}}{h_{f}}}$

donde $h_{i}$ es la altura inicial del bruto de partida y $h_{f}$ es la altura final.

Ejemplo

Se desea calcular la fuerza requerida para realizar el encabezado en frío sin matriz (forja libre) de una varilla de acero al carbono de 5 mm de diámetro. El proceso de forja genera una cabeza cilíndrica de 10 mm de diámetro y 2 mm de espesor. Los datos del material son: coeficiente de resistencia del material 640 N/mm², límite elástico 395 MPa y coeficiente de endurecimiento por acritud 0,24.

La fuerza necesaria se estima como:

$F_{forja}=K_{f}\cdot Y_{f}\cdot A$

A medida que se realiza el encabezado, el área de contacto aumenta, aumentando la fuerza de forjado requerida. Por tanto, la máxima fuerza durante el proceso se tiene al final del mismo, cuando ya se ha formado la cabeza de 10 mm de diámetro y 2 mm de espesor. Por tanto, para el proceso de forja libre el factor $K_{f}$ se obtiene como:

$K_{f}=1+{\frac {0,4\cdot \mu \cdot D}{h}}=1+{\frac {0,4\cdot 0,1\cdot 10}{2}}=1,2$

La tensión del material al final del encabezado es:

$Y_{f}=K\cdot \varepsilon ^{n}=640\cdot 1,386^{0,24}=692,19N/mm^{2}$

ya que la deformación real es:

$\varepsilon =ln{\frac {h_{i}}{h_{f}}}=ln{\frac {8}{2}}=1,386$

El valor de $h_{i}=8mm$ se obtiene por igualdad de volúmenes, puesto que en cualquier proceso de deformación plástica volumétrica se considera que el material es incompresible, y por tanto el volumen antes y después del proceso de deformación es el mismo.

Sustituyendo los valores, se tiene:

$F_{forja}=K_{f}\cdot Y_{f}\cdot A=1,2\cdot 692,19\cdot (\pi \cdot 10^{2}/4))=65,24kN$

Véase también

Bibliografía

Carlos Vila Pastor, Fernando Romero Subirón, Gracia M. Bruscas Bellido y Julio Serrano Mira, “Tecnología Mecánica: Metrología y procesos de conformado de metales sin arranque de viruta.”, Colección “Materials” de la UJI, nº 233.
Groover, M. P. (2010). Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems (4th ed.). John Wiley & Sons. Capítulo 19 "Deformación volumétrica".

Referencias

1 2 Abellán-Nebot, J. V., & Vila Pastor, C. (2023). "Deformación plástica volumétrica: Fundamentos teóricos y ejercicios resueltos.". Marcombo. ISBN 978-8426735782

Datos: Q193057
Multimedia: Forging / Q193057

[abellan-nebot-1] 1 2 Abellán-Nebot, J. V., & Vila Pastor, C. (2023). "Deformación plástica volumétrica: Fundamentos teóricos y ejercicios resueltos.". Marcombo. ISBN 978-8426735782

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