Forja

Todos los procesos de forjado que se describen a continuación pueden realizarse a diversas temperaturas; sin embargo, generalmente se clasifican según si la temperatura del metal está por encima o por debajo de la temperatura de recristalización. Si la temperatura está por encima de la temperatura de recristalización del material, se denomina forjado en caliente ; si la temperatura está por debajo de la temperatura de recristalización del material, pero por encima del 30 % de la temperatura de recristalización (en una escala absoluta), se denomina forjado en templado ; si está por debajo del 30 % de la temperatura de recristalización (generalmente a temperatura ambiente), se denomina forjado en frío . La principal ventaja del forjado en caliente es que puede realizarse de forma más rápida y precisa, y a medida que el metal se deforma, los efectos del endurecimiento por deformación se anulan por el proceso de recristalización. El forjado en frío generalmente produce endurecimiento por deformación de la pieza. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

El forjado por estampación es un proceso en el que se eleva un martillo y luego se deja caer sobre la pieza de trabajo para deformarla según la forma de la matriz. Existen dos tipos de forjado por estampación: forjado por estampación con matriz abierta y forjado por estampación con matriz de impresión (o matriz cerrada). Como su nombre indica, la diferencia radica en la forma de la matriz: la primera no encierra completamente la pieza de trabajo, mientras que la segunda sí.

Forjado por estampación en matriz abierta

El forjado en matriz abierta también se conoce como forjado de herrero . ^{[ 7 ]} En el forjado en matriz abierta, un martillo golpea y deforma la pieza de trabajo, que se coloca sobre un yunque fijo . El forjado en matriz abierta recibe su nombre del hecho de que las matrices (las superficies que están en contacto con la pieza de trabajo) no la encierran, lo que permite que fluya excepto donde entra en contacto con las matrices. Por lo tanto, el operario necesita orientar y posicionar la pieza de trabajo para obtener la forma deseada. Las matrices suelen ser planas, pero algunas tienen una superficie con forma especial para operaciones específicas. Por ejemplo, una matriz puede tener una superficie redonda, cóncava o convexa, o ser una herramienta para formar agujeros o una herramienta de corte. ^{[ 8 ]} Las piezas forjadas en matriz abierta se pueden trabajar en formas que incluyen discos, cubos, bloques, ejes (incluidos ejes escalonados o con bridas), manguitos, cilindros, piezas planas, hexagonales, redondas, placas y algunas formas personalizadas. ^{[ 9 ]} El forjado en matriz abierta se emplea típicamente cuando la pieza de trabajo es muy grande o cuando solo se requiere un lote pequeño. ^{[ 10 ]} El forjado en matriz abierta se presta a series cortas y es apropiado para la forja artística y el trabajo personalizado. En algunos casos, el forjado en matriz abierta puede emplearse para dar forma preliminar a los lingotes y prepararlos para operaciones posteriores. El forjado en matriz abierta también puede orientar el grano para aumentar la resistencia en la dirección requerida. ^{[ 8 ]}

El forjado por prensa funciona aplicando lentamente una presión o fuerza continua, lo que difiere del impacto casi instantáneo del forjado por martillo de caída. El tiempo que las matrices están en contacto con la pieza se mide en segundos (en comparación con los milisegundos del forjado por martillo de caída). El forjado por prensa puede realizarse en frío o en caliente. ^{[ 15 ]}

La principal ventaja del forjado por prensa, en comparación con el forjado por martillo de caída, radica en su capacidad para deformar la pieza completa. El forjado por martillo de caída generalmente solo deforma las superficies de la pieza en contacto con el martillo y el yunque; el interior de la pieza permanece relativamente indeformado. Otra ventaja del proceso es el conocimiento de la velocidad de deformación de la nueva pieza. Al controlar la velocidad de compresión durante el forjado por prensa, se puede controlar la deformación interna.

Este proceso presenta algunas desventajas, principalmente derivadas del contacto prolongado de la pieza con los troqueles. La operación es laboriosa debido a la cantidad y duración de los pasos. La pieza se enfría más rápido al estar en contacto con los troqueles, lo que facilita una transferencia de calor mucho mayor que la del ambiente. A medida que la pieza se enfría, se vuelve más resistente y menos dúctil, lo que puede provocar grietas si la deformación continúa. Por lo tanto, se suelen utilizar troqueles calefactados para reducir la pérdida de calor, favorecer el flujo superficial y permitir la producción de detalles más finos y tolerancias más ajustadas. Es posible que también sea necesario recalentar la pieza.

Cuando se realiza con alta productividad, el forjado por prensa es más económico que el forjado por martillo. Además, permite obtener tolerancias más ajustadas. En el forjado por martillo, gran parte del trabajo lo realiza la maquinaria; en el forjado por prensa, el mayor porcentaje de trabajo se emplea en la pieza. Otra ventaja es que se puede utilizar para crear piezas de cualquier tamaño, ya que no existe límite en el tamaño de la máquina de forjado por prensa. Las nuevas técnicas de forjado por prensa han logrado una mayor integridad mecánica y de orientación. Al limitar la oxidación a las capas exteriores de la pieza, se reducen los niveles de microfisuras en la pieza terminada. ^{[ 15 ]}

El forjado por prensa se puede utilizar para realizar todo tipo de forjado, incluyendo el forjado con matriz abierta y con matriz de impresión. El forjado por prensa con matriz de impresión generalmente requiere menos ángulo de desmoldeo que el forjado por estampación y ofrece mayor precisión dimensional. Además, el forjado por prensa a menudo se puede realizar con un solo cierre de las matrices, lo que facilita la automatización. ^{[ 18 ]}

El forjado por recalcado aumenta el diámetro de la pieza al comprimir su longitud. ^{[ 18 ]} En función del número de piezas producidas, este es el proceso de forjado más utilizado. ^{[ 18 ]} Algunos ejemplos de piezas comunes producidas mediante el proceso de forjado por recalcado son válvulas de motor, acoplamientos, pernos, tornillos y otros elementos de fijación.

El forjado por recalcado se realiza generalmente en máquinas especiales de alta velocidad llamadas prensas de manivela . Estas máquinas suelen estar configuradas para trabajar en el plano horizontal, para facilitar el intercambio rápido de piezas entre estaciones, pero el recalcado también puede realizarse en una prensa de manivela vertical o una prensa hidráulica. La pieza inicial suele ser alambre o varilla, pero algunas máquinas pueden aceptar barras de hasta 25 cm (9,8 pulgadas) de diámetro y una capacidad de más de 1000 toneladas. La máquina de recalcado estándar emplea matrices divididas con múltiples cavidades. Las matrices se abren lo suficiente para permitir que la pieza pase de una cavidad a otra; luego se cierran y la herramienta de recalcado, o pistón, se mueve longitudinalmente contra la barra, recalcándola dentro de la cavidad. Si se utilizan todas las cavidades en cada ciclo, se produce una pieza terminada en cada ciclo, lo que hace que este proceso sea ventajoso para la producción en masa. ^{[ 18 ]}  

Estas reglas deben seguirse al diseñar piezas para ser forjadas por recalcado: ^{[ 19 ]}

• La longitud de metal sin soporte que se puede deformar de un solo golpe sin que se produzca un pandeo perjudicial debe limitarse a tres veces el diámetro de la barra.
• Se pueden recalcar con éxito piezas de material de longitud superior a tres veces su diámetro, siempre que el diámetro del recalcado no sea superior a 1,5 veces el diámetro de la pieza original.
• En un proceso de recalcado que requiere una longitud de material mayor que tres veces el diámetro del material, y donde el diámetro de la cavidad no es mayor que 1,5 veces el diámetro del material, la longitud de metal sin soporte más allá de la cara de la matriz no debe exceder el diámetro de la barra.

El proceso automático de forjado en caliente consiste en introducir barras de acero de longitud estándar (normalmente de 7 m ) por un extremo de la máquina a temperatura ambiente, y los productos forjados salen por el otro. Todo esto ocurre rápidamente; se pueden fabricar piezas pequeñas a una velocidad de 180 piezas por minuto (ppm) y piezas más grandes a una velocidad de 90 ppm. Las piezas pueden ser macizas o huecas, redondas o simétricas, de hasta 6 kg y con un diámetro de hasta 18 cm . Las principales ventajas de este proceso son su alta tasa de producción y su capacidad para aceptar materiales de bajo coste. Se requiere poca mano de obra para operar la maquinaria.      

No se produce rebaba, por lo que el ahorro de material es de entre un 20 y un 30 % en comparación con el forjado convencional. El producto final tiene una temperatura constante de 1050 °C (1920 °F) , por lo que el enfriamiento por aire dará como resultado una pieza que aún es fácilmente mecanizable (la ventaja es que no se requiere recocido después del forjado). Las tolerancias suelen ser de ± 0,3 mm (0,012 pulg) , las superficies son limpias y los ángulos de desmoldeo son de 0,5 a 1°. La vida útil de la herramienta es casi el doble que la del forjado convencional porque los tiempos de contacto son del orden de 0,06 segundos. La desventaja es que este proceso solo es viable para piezas simétricas pequeñas y el costo es elevado; la inversión inicial puede superar los 10 millones de dólares, por lo que se requieren grandes cantidades para justificar este proceso. ^{[ 20 ]}    

El proceso comienza calentando la barra a 1200-1300 °C (2190-2370 °F) en menos de 60 segundos mediante bobinas de inducción de alta potencia. A continuación, se desincrusta con rodillos, se corta en piezas en bruto y se transfiere a través de varias etapas de conformado sucesivas, durante las cuales se recalca, se preforma, se forja y se perfora (si es necesario). Este proceso también puede combinarse con operaciones de conformado en frío de alta velocidad. Generalmente, la operación de conformado en frío realiza la etapa de acabado para obtener las ventajas del trabajo en frío, manteniendo la alta velocidad del forjado en caliente automático. ^{[ 21 ]}  

Ejemplos de piezas fabricadas mediante este proceso son: cojinetes de cubo de rueda, engranajes de transmisión, pistas de rodamientos de rodillos cónicos, bridas de acoplamiento de acero inoxidable y anillos de cuello para cilindros de gas propano líquido (GLP). ^{[ 22 ]} Los engranajes de transmisión manual son un ejemplo de forjado en caliente automático utilizado junto con el trabajo en frío. ^{[ 23 ]}

El forjado por laminación es un proceso en el que se reduce el espesor y se aumenta la longitud de barras redondas o planas. Este proceso se realiza utilizando dos rodillos cilíndricos o semicilíndricos, cada uno con una o más ranuras perfiladas. Se inserta una barra caliente entre los rodillos y, al llegar a un punto determinado, estos giran y la barra se va conformando progresivamente a medida que avanza por la máquina. A continuación, la pieza se transfiere al siguiente conjunto de ranuras o se gira y se vuelve a insertar en las mismas. Este proceso continúa hasta alcanzar la forma y el tamaño deseados. La ventaja de este proceso es que no genera rebabas y confiere una estructura granular favorable a la pieza. ^{[ 24 ]}

Algunos ejemplos de productos fabricados mediante este método son los ejes , las palancas cónicas y los muelles de ballesta .

También conocido como forjado de precisión , se desarrolló para minimizar los costos y los residuos posteriores al forjado, de modo que el producto resultante requiera poco o ningún mecanizado final. Los costos se reducen al utilizar menos material, generar menos desperdicio, consumir menos energía y requerir menos o ningún mecanizado adicional. El forjado de precisión también requiere un ángulo de desmoldeo menor, de 1° a 0°. La desventaja de este proceso es el costo; solo se implementa cuando se puede lograr una reducción significativa de costos. ^{[ 25 ]}

A diferencia de los procesos anteriores, el forjado por inducción se basa en el tipo de calentamiento utilizado. Muchos de los procesos mencionados anteriormente pueden utilizarse junto con este método de calentamiento.

El forjado multidireccional consiste en dar forma a una pieza en un solo paso y en varias direcciones. Este proceso se lleva a cabo mediante medidas constructivas de la herramienta. El movimiento vertical del pistón de la prensa se redirige mediante cuñas que distribuyen y redirigen la fuerza de la prensa de forjado en direcciones horizontales. ^{[ 26 ]}

El forjado isotérmico es un proceso en el que los materiales y el molde se calientan a la misma temperatura ( iso- significa "igual"). Se utiliza calentamiento adiabático para facilitar la deformación del material, lo que significa que las velocidades de deformación están altamente controladas. Esta técnica se usa comúnmente para forjar aluminio, que tiene una temperatura de forjado más baja que los aceros. Las temperaturas de forjado para el aluminio rondan los 430 °C (806 °F) , mientras que para los aceros y las superaleaciones pueden llegar a 930-1260 °C (1710-2300 °F) .    

Beneficios:

• Formas casi finales que conllevan menores requisitos de mecanizado y, por lo tanto, menores tasas de desperdicio.
• Reproducibilidad de la pieza
• Debido a la menor pérdida de calor, se pueden utilizar máquinas más pequeñas para realizar la forja.

Desventajas:

• Mayores costes de material para los troqueles debido a las temperaturas y presiones.
• Se requieren sistemas de calefacción uniformes.
• Atmósferas protectoras o vacío para reducir la oxidación de los troqueles y del material.
• Bajas tasas de producción

Según la temperatura de conformado, el forjado de acero se puede dividir en: ^{[ 27 ]}

• Forjado en caliente de acero
  • Temperaturas de forjado superiores a la temperatura de recristalización entre 950 y 1250  °C.
  • Buena conformabilidad
  • Fuerzas de conformado bajas
  • Resistencia a la tracción constante de las piezas de trabajo
• Forjado en caliente de acero
  • Temperaturas de forjado entre 750 y 950  °C
  • Poca o ninguna descamación en la superficie de la pieza de trabajo.
  • Se pueden lograr tolerancias más estrechas que en el forjado en caliente.
  • Conformabilidad limitada y fuerzas de conformado más elevadas que en el forjado en caliente.
  • Fuerzas de conformado menores que en el conformado en frío.
• Forjado en frío del acero
  • Temperaturas de forjado en condiciones ambiente, auto calentamiento hasta 150  °C debido a la energía de conformado.
  • Tolerancias mínimas alcanzables
  • No se produce descamación en la superficie de la pieza de trabajo.
  • Aumento de la resistencia y disminución de la ductilidad debido al endurecimiento por deformación.
  • Se requiere baja conformabilidad y altas fuerzas de conformado.

Para los procesos industriales, las aleaciones de acero se forjan principalmente en caliente. El latón, el bronce, el cobre, los metales preciosos y sus aleaciones se fabrican mediante procesos de forjado en frío; cada metal requiere una temperatura de forjado diferente.

• El forjado de aluminio se realiza en un rango de temperatura entre 350 y 550  °C.
• Las temperaturas de forjado superiores a 550  °C están demasiado cerca de la temperatura de solidificación de las aleaciones y, junto con las deformaciones efectivas variables, dan lugar a superficies desfavorables en las piezas de trabajo y, potencialmente, a una fusión parcial, así como a la formación de pliegues. ^{[ 28 ]}
• Las temperaturas de forjado inferiores a 350  °C reducen la conformabilidad al aumentar la tensión de fluencia, lo que puede provocar que los troqueles no se llenen correctamente, que se agrieten en la superficie de la pieza y que aumenten las fuerzas del troquel.

Debido al estrecho rango de temperatura y a la alta conductividad térmica, el forjado de aluminio solo puede realizarse dentro de un rango de temperatura específico. Para lograr buenas condiciones de conformado, es necesaria una distribución de temperatura homogénea en toda la pieza. Por lo tanto, el control de la temperatura de la herramienta influye considerablemente en el proceso. Por ejemplo, al optimizar la geometría de la preforma, se pueden influir en las deformaciones efectivas locales para reducir el sobrecalentamiento local y conseguir una distribución de temperatura más homogénea. ^{[ 29 ]}

• El forjado de magnesio se produce en un rango de temperatura entre 290 y 450  °C ^{[ 31 ].}

Las aleaciones de magnesio son más difíciles de forjar debido a su baja plasticidad, baja sensibilidad a las velocidades de deformación y estrecha temperatura de conformado. ^{[ 31 ]} El uso de forjado en caliente con matriz semiabierta con una prensa de forjado de tres correderas (TSFP) se ha convertido en un método de forjado de reciente desarrollo para la aleación Mg-Al AZ31, comúnmente utilizada en el conformado de soportes de aeronaves. ^{[ 32 ] [ 33 ]} Este método de forjado ha demostrado mejorar las propiedades de tracción pero carece de un tamaño de grano uniforme. ^{[ 34 ] [ 35 ]} Aunque la aplicación de aleaciones de magnesio aumenta en un 15-20% cada año en la industria aeroespacial y automotriz, el forjado de aleaciones de magnesio con matrices especializadas es costoso y un método inviable para producir piezas para el mercado masivo. En cambio, la mayoría de las piezas de aleación de magnesio para la industria se producen mediante métodos de fundición.

Una prensa de forja , a menudo llamada simplemente prensa, se utiliza para el forjado por presión. Existen dos tipos principales: prensas mecánicas e hidráulicas. Las prensas mecánicas funcionan mediante levas, manivelas y/o palancas para producir una carrera preestablecida (una fuerza predeterminada en un punto específico de la carrera) y reproducible. Debido a la naturaleza de este tipo de sistema, se obtienen diferentes fuerzas en distintas posiciones de la carrera. Las prensas mecánicas son más rápidas que sus contrapartes hidráulicas (hasta 50 carreras por minuto). Sus capacidades oscilan entre 3 y 160 MN (300 y 18 000 toneladas cortas de fuerza). Las prensas hidráulicas, como el dispositivo de cuatro matrices , utilizan la presión del fluido y un pistón para generar fuerza. Las ventajas de una prensa hidráulica sobre una prensa mecánica son su flexibilidad y mayor capacidad. Las desventajas incluyen una máquina más lenta, más grande y más costosa de operar. ^{[ 15 ]}

Los procesos de forjado por laminación, recalcado y forjado en caliente automático utilizan maquinaria especializada.

• Degarmo, E. Paul; Black, JT; Kohser, Ronald A. (2011). Materiales y procesos en la fabricación (11.ª  ed.). Wiley. ISBN 978-0-470-92467-9.
• Doege, E.; Behrens, B.-A.: Handbuch Umformtechnik: Grundlagen, Technologien, Maschinen (en alemán), 2.ª edición, Springer Verlag, 2010, ISBN 978-3-642-04248-5
• Ostermann, F.: Anwendungstechnologie Aluminium (en alemán), 3.ª edición, Springer Verlag, 2014, ISBN 978-3-662-43806-0