Secretos de la Herrería: Dominando Técnicas Modernas de Forja

¿Cómo manipulan las instalaciones modernas de forja el metal en piezas forjadas?

¿Qué es la forja?

La forja es un proceso de fabricación que involucra la conformación de un metal mediante martilleo, prensado o laminado. Estas fuerzas compresivas se entregan con un martillo o matriz. La forja a menudo se categoriza según la temperatura a la que se realiza —forja en frío, tibia o caliente.

Una amplia gama de metales puede forjarse. Metales típicos usados en forja incluyen acero al carbono, acero aleado y acero inoxidable. Metales muy blandos como aluminio, latón y cobre también pueden forjarse. El proceso de forja puede producir piezas con excelentes propiedades mecánicas con desperdicio mínimo. El concepto básico es que el metal original se deforma plásticamente a la forma geométrica deseada —dándole mayor resistencia a la fatiga y resistencia. El proceso es económicamente sólido con la capacidad de producir piezas en masa, y lograr propiedades mecánicas específicas en el producto terminado.

Historia de la forja

La forja ha sido practicada por herreros durante miles de años. Al principio, el bronce y el cobre fueron los metales forjados más comunes, en la Edad del Bronce: más tarde, a medida que se descubrió la capacidad de controlar la temperatura y el proceso de fundición del hierro, el hierro se convirtió en el metal forjado principal. Productos tradicionales incluyen utensilios de cocina, herrajes, herramientas manuales y armas de filo. La Revolución Industrial permitió que la forja se convirtiera en un proceso de producción en masa más eficiente. Desde entonces, la forja ha evolucionado junto con avances en equipo, robótica, controles electrónicos y automatización. La forja es ahora una industria mundial con instalaciones modernas de forja produciendo piezas de metal de alta calidad en una vasta gama de tamaños, formas, materiales y acabados.

Métodos de forja

Hay varios métodos de forja con diferentes capacidades y beneficios. Los métodos de forja más comúnmente usados incluyen los métodos de forja por caída, así como forja por laminado.

Forja por caída (Drop forging)

La forja por caída deriva su nombre del proceso de dejar caer un martillo sobre el metal para moldearlo en la forma de la matriz. La matriz se refiere a las superficies que entran en contacto con el metal. Hay dos tipos de forja por caída —forja a matriz abierta y forja a matriz cerrada. Las matrices son típicamente planas en forma con algunas teniendo superficies distintivamente conformadas para operaciones especializadas.

Forja a matriz abierta (forja de herrero)

La forja a matriz abierta también se conoce como forja de herrero. Un martillo golpea y deforma un metal en un yunque estacionario. En este tipo de forja, el metal nunca está completamente confinado en las matrices —permitiéndole fluir excepto en las áreas donde está en contacto con las matrices. Es responsabilidad del operador orientar y posicionar el metal para lograr la forma final deseada. Se usan matrices planas, con algunas teniendo superficies especialmente conformadas para operaciones especializadas. La forja a matriz abierta es adecuada para piezas simples y grandes, así como componentes metálicos personalizados.

Ventajas de la forja a matriz abierta:

• Mejor resistencia a la fatiga y resistencia
• Reduce posibilidad de errores y/o huecos
• Mejora la microestructura
• Flujo de grano continuo
• Tamaño de grano más fino

Forja a matriz cerrada (forja por impresión)

La forja a matriz cerrada también se conoce como forja por impresión. El metal se coloca en una matriz y se sujeta a un yunque. El martillo se deja caer sobre el metal, causando que fluya y llene las cavidades de la matriz. El martillo se cronometra para entrar en contacto con el metal en sucesión rápida a escala de milisegundos. El metal excedente es empujado fuera de las cavidades de la matriz, resultando en rebaba. La rebaba se enfría más rápido que el resto del material, haciéndola más fuerte que el metal en la matriz. Después de forjar, la rebaba se remueve.

Para que el metal alcance la etapa final, se mueve a través de una serie de cavidades en una matriz:

1. Impresión de borde (también conocida como relleno o doblado)
   La primera impresión usada para moldear el metal en una forma aproximada.

2. Cavidades de bloqueo
   El metal se trabaja en una forma que se parece más al producto final. El metal se forma con dobleces y filetes generosos.

3. Cavidad de impresión final
   Etapa final de acabado y detalle del metal en la forma deseada.

Ventajas de la forja a matriz cerrada:

• Produce piezas de hasta 25 toneladas
• Produce formas casi netas que requieren solo una pequeña cantidad de acabado
• Económica para producción pesada

Forja por laminado (Roll forging)

La forja por laminado consiste en dos rodillos cilíndricos o semi-cilíndricos horizontales que deforman una barra redonda o plana. Esto funciona para reducir su espesor y aumentar su longitud. Esta barra calentada se inserta y pasa entre los dos rodillos —cada uno conteniendo una o más ranuras conformadas— y se conforma progresivamente a medida que se lamina a través de la máquina. Este proceso continúa hasta que se logra la forma y tamaño deseados.

Ventajas de la forja por laminado automático:

• Produce poco o ningún desperdicio de material
• Crea una estructura de grano favorable en el metal
• Reduce el área transversal del metal
• Produces extremos cónicos

Forja por prensa (Press forging)

La forja por prensa usa una presión o fuerza lenta y continua, en lugar del impacto usado en forja por martillo caído. El desplazamiento más lento del ariete significa que la deformación llega más profundo, de modo que todo el volumen del metal es afectado uniformemente. Contrastando, en forja por martillo caído, la deformación a menudo es solo a nivel de superficie mientras el interior del metal permanece algo sin deformar. Al controlar la tasa de compresión en forja por prensa, la tensión interna también puede controlarse.

Ventajas de la forja por prensa:

• Económica para producción pesada
• Mayor precisión en tolerancias dentro de 0,01–0,02 pulgadas
• Las matrices tienen menos ángulo de desmoldeo permitiendo mejor precisión dimensional
• Velocidad, presión y desplazamiento de la matriz son controlados automáticamente
• Automatización del proceso es posible
• Capacidad de prensas varía de 500–9000 toneladas

Forja de ensanchamiento (Upset forging)

La forja de ensanchamiento es un proceso de fabricación que aumenta el diámetro del metal comprimiendo su longitud. Prensas de cigüeñal, una máquina especial de alta velocidad, se usan en procesos de forja de ensanchamiento. Las prensas de cigüeñal típicamente se configuran en un plano horizontal para mejorar la eficiencia y el intercambio rápido de metal de una estación a la siguiente. Prensas de cigüeñal verticales o una prensa hidráulica también son opciones.

Ventajas de la forja de ensanchamiento:

• Alta tasa de producción de hasta 4500 piezas por hora
• Automatización completa es posible
• Eliminación del ángulo de desmoldeo y rebaba
• Produce poco o ningún desperdicio

Forja en caliente automática

En la forja en caliente automática, barras de acero de longitud de molino se insertan en un extremo de la máquina de forja a temperatura ambiente, y productos forjados en caliente emergen del otro extremo. La barra se calienta con bobinas de inducción de alta potencia a una temperatura de 1200–1300 °C (2190–2370 °F) en menos de 60 segundos. La barra se desescala con rodillos y se corta en trozos. En este punto, el metal se transfiere a través de varias etapas de conformado que pueden acoplarse con operaciones de conformado en frío de alta velocidad. Típicamente, la operación de conformado en frío se deja para la etapa de acabado. Al hacerlo, se pueden cosechar los beneficios del trabajo en frío mientras se mantiene la alta velocidad de la forja en caliente automática.

Ventajas de la forja en caliente automática:

• Alta tasa de producción
• Aceptación de materiales de bajo coste
• Mano de obra mínima requerida para operar maquinaria
• Produce poco o ningún desperdicio de material (ahorro de material entre 20–30% sobre forja convencional)

Forja de precisión (forja de forma neta o casi neta)

La forja de precisión requiere poco o ningún mecanizado final. Es un método de forja desarrollado para minimizar el coste y desperdicio asociados a operaciones post-forja. Los ahorros de coste se logran de la reducción de material y energía, así como la reducción de mecanizado.

Forja isotérmica

La forja isotérmica es un proceso de forja donde el metal y la matriz se calientan a la misma temperatura. Se usa calentamiento adiabático —no hay transferencia neta de masa o intercambio térmico entre el sistema y el entorno externo. Los cambios son todos debidos a cambios internos resultando en tasas de deformación altamente controladas. Debido a la menor pérdida de calor, máquinas más pequeñas pueden usarse para este proceso de forja.