Análisis DFM basado en reglas para forja

En la forja en matriz abierta, una pieza cilíndrica se somete a compresión entre dos matrices o placas planas . Bajo una deformación homogénea sin fricción, la altura del cilindro se reduce y su diámetro aumenta. La forja de ejes , discos , anillos , etc., se realiza mediante esta técnica. Los lingotes cuadrados fundidos se transforman en piezas redondas mediante este proceso. La forja en matriz abierta se clasifica en tres tipos principales: deformación plástica, deformación por abombamiento y deformación por borde. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

También conocido como forjado por impresión, este proceso consiste en realizar impresiones en un par de matrices. Estas impresiones se transfieren a la pieza durante la deformación. Entre las matrices se deja un pequeño espacio, denominado canal de rebaba, para que el exceso de metal fluya hacia él y forme una rebaba. La rebaba desempeña un papel importante durante la deformación de la pieza dentro de la cavidad de la matriz. Debido a la elevada relación longitud-espesor del canal de rebaba, la fricción en el espacio es muy alta. Por ello, el material en el espacio de rebaba se somete a una alta presión, lo que genera una gran resistencia al flujo. Esto, a su vez, favorece el llenado efectivo de la cavidad de la matriz. En el forjado en caliente, la rebaba se enfría más rápido debido a su menor tamaño. Esto aumenta la resistencia del material de la rebaba a la deformación. Como resultado, la mayor parte de la pieza se deforma y llena la cavidad de la matriz de forma más eficaz, incluso las partes más intrincadas.

El forjado en caliente se define como el proceso de trabajar un metal por encima de su temperatura de recristalización . La principal ventaja del forjado en caliente es que, a medida que el metal se deforma, los efectos de endurecimiento por deformación se ven contrarrestados por el proceso de recristalización. ^{[ 12 ]}

El forjado en frío se define como el trabajo de un metal por debajo de su temperatura de recristalización, generalmente alrededor de la temperatura ambiente. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

Tolerancias de longitud, anchura y altura, tolerancias de desajuste, tolerancias de rebaba residual (y plana recortada) y tolerancias de agujeros perforados.

Tolerancias de espesor y tolerancias de marcas de expulsión.

Tolerancias de rectitud y planitud, así como tolerancias para las dimensiones entre centros.

Tolerancias de radios de filete y borde, tolerancias de rebabas , tolerancias de superficie , tolerancias en superficies de ángulo de desmoldeo , tolerancias de excentricidad para agujeros profundos, tolerancias de excentricidad para agujeros perforados, tolerancias en salientes concéntricos, tolerancias para material sin forjar y tolerancias para la deformación de extremos cortados.

Las tolerancias para longitudes, anchuras, alturas y espesores cubren únicamente las dimensiones, pero también las desviaciones de forma, tales como: a) Falta de redondez, b) Desviaciones de la cilindricidad, c) Desviaciones del paralelismo y d) Otras desviaciones del contorno especificado. Las desviaciones no deben exceder los límites establecidos por las tolerancias. En casos extremos, pueden abarcar la totalidad de las tolerancias, a menos que el proveedor y el comprador acuerden lo contrario. Cuando se hayan acordado restricciones en las desviaciones de forma, esto deberá indicarse en el plano.

Para ayudar al proveedor de forja a utilizar su experiencia de la mejor manera, tanto en el diseño de los troqueles y herramientas como en el establecimiento de los procedimientos de inspección de forja, es de interés para el comprador proporcionar la siguiente información: ^{[ 15 ]}

• Un dibujo mecanizado terminado;
• Detalles y dimensiones de las zonas de mecanizado (se deberá notificar con antelación cualquier cambio posterior en estos puntos de ubicación).
• Cualquier otra información relevante sobre las operaciones de mecanizado y el funcionamiento del componente.

Se recomienda que el dibujo de la pieza que luego se debe presentar al forjador prepare la pieza forjada para el comprador para su aprobación y, si es necesario, para una consulta conjunta.

En los casos en que el comprador desee preparar su propio plano de forja con todas las dimensiones, es igualmente necesario que el plano del componente mecanizado terminado y la demás información mencionada anteriormente se pongan a disposición del proveedor.

Es imprescindible tener en cuenta que, con la excepción de las superficies con ángulo de desmoldeo, las tolerancias indicadas en esta norma se aplicarán únicamente a las dimensiones indicadas específicamente en el plano de forja acordado.

Por este motivo, el método de indicación de las dimensiones en el plano de forja tiene una influencia vital en el control dimensional de la pieza forjada.

Las tolerancias para las dimensiones que no aparecen en el plano de forja no se pueden tomar de la norma, sino que se pueden determinar, si es necesario, únicamente mediante cálculo basado en las dimensiones y tolerancias que ya aparecen en el plano de forja acordado.

Todos los planos de forja deben llevar la anotación: "Las tolerancias cumplen con la norma IS: 3469 (Parte II)-1974, salvo que se indique lo contrario".

Para una correcta aprobación de los planos de forja, se recomienda la siguiente forma de presentación de las tolerancias al pie del plano:

Categoría: 1. Longitudes y diámetros totales 2. Anchos 3. Alturas 4. Desajuste 5. Rebabas residuales y superficies planas recortadas 6. Espesor 7. Rectitud 8. Planitud 9. Radios de filete y borde 10. Superficies

Las tolerancias aplicables únicamente a dimensiones específicas deberán indicarse en el plano junto a las dimensiones correspondientes. Las tolerancias de las marcas de expulsión y de las rebabas deberán mostrarse en el plano de forja junto a las ubicaciones específicas. Las tolerancias especiales acordadas entre el comprador y el proveedor deberán indicarse claramente en el plano de forja y, siempre que sea posible, junto a las dimensiones específicas correspondientes.

El plano de la pieza forjada que ha sido aceptado por el comprador es el documento válido para la inspección de la misma. Este plano es también el único documento válido para las tolerancias de las partes de la forja que permanecen sin mecanizar.

La forja en matriz abierta, también conocida como forja de herrero, consiste en que un martillo golpea y deforma las piezas colocadas sobre un yunque fijo. Su nombre proviene del hecho de que las matrices (las superficies de trabajo de la fragua que comprimen la pieza) no la encierran, permitiendo que fluya excepto en las zonas de contacto con las matrices. Por lo tanto, el operario debe orientar y posicionar la pieza para obtener la forma deseada. Las matrices suelen ser planas, pero pueden tener una superficie con forma especial para operaciones específicas; por ejemplo, pueden ser redondas, cóncavas o convexas, o servir como herramienta para perforar o cortar. La forja en matriz abierta es ideal para series cortas y resulta apropiada para trabajos artísticos y personalizados. En otras ocasiones, se utiliza para dar forma preliminar a los lingotes y prepararlos para operaciones posteriores. Esto también permite orientar los granos para aumentar la resistencia en la dirección requerida.

El forjado por impresión, también llamado forjado en matriz cerrada, consiste en colocar el metal en una matriz que se asemeja a un molde y que está fijada al yunque. Generalmente, la matriz del martillo también tiene forma. A continuación, se deja caer el martillo sobre la pieza, lo que provoca que el metal fluya y llene las cavidades de la matriz. El martillo suele estar en contacto con la pieza durante milisegundos. Dependiendo del tamaño y la complejidad de la pieza, el martillo puede dejarse caer varias veces en rápida sucesión. El exceso de metal se expulsa de las cavidades de la matriz; esto se denomina rebaba. La rebaba se enfría más rápidamente que el resto del material; este metal frío es más resistente que el metal de la matriz, por lo que ayuda a evitar que se forme más rebaba. Esto también obliga al metal a llenar completamente la cavidad de la matriz. Después del forjado, se recorta la rebaba.

En el forjado comercial con matriz de impresión, la pieza se desplaza a través de una serie de cavidades en una matriz para transformar el lingote en su forma final. La primera impresión se utiliza para distribuir el metal en la forma básica, de acuerdo con las necesidades de las cavidades posteriores; esta impresión se denomina impresión de canteado, de acanalado o de doblado. Las siguientes cavidades se denominan cavidades de bloqueo, en las que la pieza se va moldeando hasta adquirir una forma que se asemeja cada vez más al producto final. Estas etapas suelen conferir a la pieza curvas pronunciadas y grandes redondeos. La forma final se forja en una cavidad de impresión final o de acabado. Si se trata de una serie corta de piezas, puede resultar más económico que la matriz no tenga una cavidad de impresión final y, en su lugar, mecanizar las características finales.

El forjado mediante troquelado por impresión se ha perfeccionado aún más en los últimos años gracias a una mayor automatización, que incluye el calentamiento por inducción, la alimentación mecánica, el posicionamiento y la manipulación, así como el tratamiento térmico directo de las piezas después del forjado.

Una variante del forjado con matriz de impresión se denomina forjado sin rebaba o forjado con matriz cerrada. En este tipo de forjado, las cavidades de la matriz están completamente cerradas, lo que evita la formación de rebaba en la pieza. La principal ventaja de este proceso es la menor pérdida de metal por rebaba. La rebaba puede representar entre el 20 y el 45 % del material inicial. Las desventajas de este proceso incluyen: un mayor coste debido a un diseño de matriz más complejo, la necesidad de una mejor lubricación y una mejor colocación de la pieza.

Existen otras variantes de formación de piezas que integran el forjado con matriz de impresión. Un método consiste en fundir una preforma de forja a partir de metal líquido. Esta preforma se retira una vez que se enfría hasta solidificarse, aún caliente. Posteriormente, se termina en una matriz de una sola cavidad. Se recorta la rebaba y se enfría a temperatura ambiente para endurecer la pieza.

Otra variante sigue el mismo proceso descrito anteriormente, con la diferencia de que la preforma se produce mediante la deposición por pulverización de gotas de metal en colectores con forma (similar al proceso de Osprey).

El forjado en matriz cerrada tiene un alto costo inicial debido a la creación de matrices y al trabajo de diseño necesario para fabricar las cavidades de trabajo. Sin embargo, presenta bajos costos recurrentes por pieza, por lo que el forjado resulta más económico a mayor volumen. Esta es una de las principales razones por las que el forjado se utiliza con frecuencia en la industria automotriz y de herramientas. Otra razón por la que el forjado es común en estos sectores industriales es que, por lo general, las piezas forjadas tienen una relación resistencia-peso aproximadamente un 20 % mayor que las piezas fundidas o mecanizadas del mismo material.

Los troqueles de forja suelen estar fabricados de acero de alta aleación o acero para herramientas. Deben ser resistentes a los impactos y al desgaste, mantener su resistencia a altas temperaturas y soportar ciclos de calentamiento y enfriamiento rápidos. Para obtener un troquel mejor y más económico, se deben seguir las siguientes reglas:

1. Los troqueles deben separarse a lo largo de un único plano plano, si es posible. De lo contrario, el plano de separación debe seguir el contorno de la pieza. 2. La superficie de separación debe ser un plano que atraviese el centro de la forja y no cerca de un borde superior o inferior. 3. Debe proporcionarse un ángulo de desmoldeo adecuado; una buena guía es de al menos 3° para aluminio y de 5° a 7° para acero. 4. Deben utilizarse filetes y radios generosos. 5. Las nervaduras deben ser bajas y anchas. 6. Las distintas secciones deben estar equilibradas para evitar diferencias extremas en el flujo del metal. 7. Debe aprovecharse al máximo las líneas de flujo de cinco. 8. Las tolerancias dimensionales no deben ser más ajustadas de lo necesario. Las tolerancias dimensionales de una pieza de acero producida mediante el método de forja con troquel de impresión se describen en la tabla siguiente. Las dimensiones a través del plano de separación se ven afectadas por el cierre de los troqueles y, por lo tanto, dependen del desgaste del troquel y del espesor de la rebaba final. Las dimensiones que están completamente contenidas dentro de un único segmento o mitad del troquel pueden mantenerse con un nivel de precisión significativamente mayor. En el forjado siempre se utiliza un lubricante para reducir la fricción y el desgaste. También actúa como barrera térmica , limitando la transferencia de calor de la pieza al troquel. Finalmente, el lubricante funciona como agente desmoldante, impidiendo que la pieza se adhiera a uno de los troqueles. ^{[ 16 ]}

El forjado por prensa es una variante del forjado por impacto. A diferencia de este último, el forjado por prensa trabaja lentamente aplicando presión o fuerza continua. El tiempo que las matrices permanecen en contacto con la pieza se mide en segundos (en comparación con los milisegundos del forjado por impacto). La principal ventaja del forjado por prensa, frente al forjado por impacto, reside en su capacidad para deformar la pieza por completo.

El forjado por impacto generalmente solo deforma las superficies de la pieza en contacto con el martillo y el yunque; el interior de la pieza permanece relativamente indeformado. Este proceso presenta algunas desventajas, la mayoría derivadas del contacto prolongado de la pieza con las matrices. La pieza se enfría más rápido debido al contacto con las matrices, 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 matrices calentadas para reducir la pérdida de calor, favorecer el flujo superficial y permitir la producción de detalles más finos y tolerancias más ajustadas. También puede ser necesario recalentar la pieza.

El forjado por prensado permite realizar todo tipo de forjado, incluyendo el forjado con matriz abierta y con matriz de impresión. El forjado por prensado con matriz de impresión generalmente requiere menos ángulo de desmoldeo que el forjado por estampación y ofrece mayor precisión dimensional. Además, el forjado por prensado suele realizarse con un solo cierre de la matriz, lo que facilita la automatización.

El forjado por recalcado aumenta el diámetro de la pieza comprimiendo su longitud. En función del número de piezas producidas, este es el proceso de forjado más utilizado. El forjado por recalcado se suele realizar en máquinas especiales de alta velocidad; estas máquinas suelen estar configuradas para trabajar en el plano horizontal, lo que facilita el rápido intercambio de piezas entre estaciones. La pieza inicial suele ser alambre o varilla, pero algunas máquinas pueden aceptar barras de hasta 25 cm (9,8 pulgadas) de diámetro. La máquina de recalcado estándar emplea matrices divididas con múltiples cavidades. Las matrices se abren lo suficiente para permitir que la pieza se desplace 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 producirá una pieza terminada en cada ciclo, razón por la cual este proceso es ideal para la producción en masa. ^{[ 17 ]}  

Algunos ejemplos de piezas comunes fabricadas mediante el proceso de forjado por recalcado son las válvulas de motor, los acoplamientos, los pernos, los tornillos y otros elementos de fijación.

Al diseñar piezas para forjado por recalcado, se deben seguir las siguientes tres reglas:

• 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 o 23 pies ) por un extremo de la máquina a temperatura ambiente, y los productos forjados en caliente salen por el otro extremo. Todo esto ocurre muy rápidamente; las piezas pequeñas se pueden fabricar a una velocidad de 180 piezas por minuto (ppm) y las más grandes a una velocidad de 90 ppm. Las piezas pueden ser macizas o huecas, redondas o simétricas, de hasta 6 kg (13 lb) y de hasta 18 cm (7,1 pulgadas) de diámetro. 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 sigue siendo 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 están limpias y los ángulos de desmoldeo oscilan entre 0,5 y 1°. La vida útil de la herramienta es casi el doble que la del forjado convencional, ya que los tiempos de contacto son del orden de 6/100 de segundo.          

La desventaja del proceso es que solo es viable en piezas simétricas pequeñas y tiene un alto costo; la inversión inicial puede superar los $10 millones, y se requieren grandes cantidades para justificarlo. 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. Luego se desincrusta con rodillos, se corta en piezas en bruto y se transfiere a varias etapas de conformado sucesivas, durante las cuales se recalca, se preforma, se forja y se perfora (si es necesario). Este proceso también se puede combinar con operaciones de conformado en frío de alta velocidad. Generalmente, la operación de conformado en frío realiza la etapa de acabado para aprovechar las ventajas del trabajo en frío, manteniendo la alta velocidad del forjado en caliente automático.  

Algunos 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 LP. Los engranajes de transmisión manual son un ejemplo de forjado en caliente automático utilizado junto con el trabajo en frío.

El forjado por laminación es un proceso en el que se reduce el espesor de barras redondas o planas y se aumenta su longitud. Este proceso se lleva a cabo utilizando dos rodillos cilíndricos o semicilíndricos, cada uno con una o más ranuras perfiladas. Se inserta una barra entre los rodillos y, al llegar a un tope, estos giran y la barra se va conformando progresivamente a medida que sale de la máquina.

La pieza se transfiere a la siguiente ranura o se gira y se vuelve a insertar en las mismas ranuras. Este proceso continúa hasta alcanzar la forma y el tamaño deseados. Las ventajas de este método son la ausencia de rebabas y la obtención de una estructura granular óptima en la pieza. Algunos ejemplos de productos fabricados con este método son ejes, palancas cónicas y ballestas.

Este proceso también se conoce como forjado de precisión. Se desarrolló para minimizar los costos y los residuos asociados con las operaciones posteriores al forjado. Por lo tanto, el producto final del forjado de precisión requiere poco o ningún mecanizado final. El ahorro de costos se logra gracias al menor uso de material y, por consiguiente, a la menor cantidad de desperdicio, a la disminución general del consumo de energía y a la reducción o eliminación del mecanizado. El forjado de precisión también requiere un ángulo de desmoldeo menor, de 1° a 0°. La desventaja de este proceso radica en su costo, por lo que solo se implementa si se puede lograr una reducción significativa de costos.