¿Qué es la forja? Definición, proceso y tipos

¿Qué es la forja?

La forja es un proceso de fabricación que implica dar forma al metal mediante martillado, prensado o laminado. Estas fuerzas de compresión se entregan con un martillo o troquel. La forja a menudo se clasifica según la temperatura a la que se realiza la forja en frío, en tibio o en caliente.

Se puede forjar una amplia gama de metales. Los metales típicos utilizados en la forja incluyen acero al carbono, acero aleado y acero inoxidable. También se pueden forjar metales muy blandos como el aluminio, el latón y el cobre. El proceso de forjado puede producir piezas con excelentes propiedades mecánicas con un 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 fuerza. El proceso es económicamente sólido con la capacidad de producir piezas en masa y lograr propiedades mecánicas específicas en el producto terminado.

La forja ha sido realizada por herreros durante milenios; los productos tradicionales eran utensilios de cocina, ferretería, herramientas manuales, armas blancas, címbalos y joyería.

Desde la Revolución Industrial, las piezas forjadas son ampliamente utilizadas en mecanismos y máquinas donde un componente requiere alta resistencia; dichas piezas forjadas generalmente requieren un procesamiento adicional (como el mecanizado) para lograr una pieza casi terminada. Hoy en día, la forja es una importante industria mundial.

Historia de la forja

La forja ha sido practicada por herreros durante miles de años. Al principio, el bronce y el cobre eran los metales forjados más comunes, en la Edad del Bronce:más tarde, cuando se descubrió la capacidad de controlar la temperatura y el proceso de fundición del hierro, el hierro se convirtió en el principal metal forjado.

Los productos tradicionales incluyen utensilios de cocina, ferretería, herramientas manuales y armas blancas. 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 los avances en equipos, robótica, controles electrónicos y automatización.

La forja es ahora una industria mundial con modernas instalaciones de forja que producen piezas de metal de alta calidad en una amplia gama de tamaños, formas, materiales y acabados.

Tipos de Procesos de Forja

Existen varios métodos de forjado con diferentes capacidades y beneficios.

• Forjado
• Forja en rollo
• Prensa de forja
• Forja alterada
• Forja en frío
• Forja de precisión
• Forjado isotérmico

1. Forja por caída

La forja por estampación deriva su nombre del proceso de dejar caer un martillo sobre el metal para moldearlo en la forma de la matriz. El troquel se refiere a las superficies que entran en contacto con el metal.

Hay dos tipos de forjado por estampación:forjado con matriz abierta y matriz cerrada. Los troqueles suelen tener una forma plana y algunos tienen superficies de formas distintivas para operaciones especializadas.

Forja de matriz abierta (forja de Smith)

La forja de matriz abierta también se conoce como forja de Smith. Un martillo golpea y deforma un metal sobre un yunque estacionario. En este tipo de forjado, el metal nunca está completamente confinado en los troqueles, lo que le permite fluir excepto en las áreas donde está en contacto con los troqueles.

Es responsabilidad del operador orientar y colocar el metal para lograr la forma final deseada. Se utilizan matrices planas, y algunas tienen superficies de forma especial para operaciones especializadas. La forja de matriz abierta es adecuada para piezas simples y grandes, así como para componentes metálicos personalizados.

Ventajas de la forja en matriz abierta:

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

Forjado en matriz cerrada (matriz de impresión)

La forja de matriz cerrada también se conoce como forja de matriz de impresión. El metal se coloca en un dado y se une a un yunque. El martillo se deja caer sobre el metal, lo que hace que fluya y llene las cavidades del troquel.

El martillo está programado para entrar en contacto con el metal en rápida sucesión en una escala de milisegundos. El exceso de metal se expulsa de las cavidades de la matriz, lo que genera un destello. El flash se enfría más rápido que el resto del material, lo que lo hace más resistente que el metal del molde. Después de forjar, se elimina el flash.

Para que el metal llegue a la etapa final, se mueve a través de una serie de cavidades en un dado:

• Impresión de bordes (también conocida como fullering o doblado):la primera impresión utilizada para moldear el metal en una forma rugosa.
• Bloqueo de cavidades:el metal se trabaja en una forma que se parece más al producto final. El metal tiene forma con generosas curvas y filetes.
• Cavidad de impresión final:etapa final de acabado y detalle del metal en la forma deseada.

Ventajas de la forja en matriz cerrada:

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

2. Forja en rollo

El forjado por rodillos consta de dos rodillos horizontales cilíndricos o semicilíndricos que deforman una barra redonda o plana. Esto funciona para reducir su grosor y aumentar su longitud.

Esta barra calentada se inserta y se pasa entre los dos rodillos, cada uno de los cuales contiene una o más ranuras conformadas, y se forma progresivamente a medida que pasa por la máquina. Este proceso continúa hasta lograr la forma y el tamaño deseados.

Ventajas del forjado por laminación automático:

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

3. Prensa de forja

La forja a presión utiliza una presión o fuerza lenta y continua, en lugar del impacto que se usa en la forja con martillo. El recorrido más lento del ariete significa que la deformación es más profunda, de modo que todo el volumen del metal se ve afectado uniformemente.

Por el contrario, en la forja con martillo, la deformación suele ser solo al nivel de la superficie, mientras que el interior del metal permanece algo sin deformar. Al controlar la tasa de compresión en la forja en prensa, también se puede controlar la tensión interna.

Ventajas de la forja en prensa:

• Económico para producción pesada
• Mayor precisión en tolerancias de 0,01 a 0,02 pulgadas
• Los troqueles tienen menos tiro, lo que permite una mejor precisión dimensional
• La velocidad, la presión y el recorrido del troquel se controlan automáticamente
• La automatización de procesos es posible
• La capacidad de las prensas oscila entre 500 y 9000 toneladas

4. Forja trastornada

La forja alterada es un proceso de fabricación que aumenta el diámetro del metal al comprimir su longitud. Las prensas de manivela, una máquina especial de alta velocidad, se utilizan en los procesos de forjado recalcado.

Las prensas de manivela generalmente se colocan en un plano horizontal para mejorar la eficiencia y el rápido intercambio de metal de una estación a la siguiente. Las prensas de manivela verticales o una prensa hidráulica también son opciones.

Ventajas de la forja recalcada:

• Alta tasa de producción de hasta 4500 piezas por hora
• La automatización completa es posible
• Eliminación del tiro de forja y rebaba
• Produce poco o ningún desperdicio

5. Forja en caliente automática

En el forjado en caliente automático, las barras de acero del tamaño de un molino se insertan en un extremo de la máquina de forjado a temperatura ambiente y los productos forjados en caliente emergen del otro extremo. La barra se calienta con bobinas de inducción de alta potencia a una temperatura que oscila entre 2190 y 2370 °F en menos de 60 segundos.

La barra se desincrusta con rodillos y se reparte en piezas en bruto. En este punto, el metal se transfiere a través de varias etapas de formación que pueden combinarse con operaciones de formación en frío de alta velocidad. Por lo general, la operación de formación en frío se deja para la etapa de acabado. Al hacerlo, se pueden aprovechar los beneficios del trabajo en frío y, al mismo tiempo, mantener la alta velocidad del forjado en caliente automático.

Ventajas de la forja en caliente automática:

• Alta tasa de producción
• Aceptación de materiales de bajo costo
• Mano de obra mínima requerida para operar maquinaria
• Produce poco o ningún desperdicio de material (ahorro de material entre un 20 y un 30 % en comparación con el forjado convencional)

6. Forjado de precisión (forjado en forma de red o casi en forma de red)

La forja de precisión requiere poco o ningún mecanizado final. Es un método de forjado desarrollado para minimizar el costo y el desperdicio asociados con las operaciones posteriores al forjado. El ahorro de costes se consigue a partir de la reducción de material y energía, así como de la reducción del mecanizado.

7. Forja isotérmica

La forja isotérmica es un proceso de forja en el que 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 ambiente externo.

Todos los cambios se deben a cambios internos que dan como resultado velocidades de deformación altamente controladas. Debido a la menor pérdida de calor, se pueden usar máquinas más pequeñas para este proceso de forjado.

Aplicación de Forja

Además de las piezas del motor y la transmisión, las piezas forjadas se utilizan para una amplia variedad de engranajes, ruedas dentadas, palancas, ejes, husillos, rótulas, cubos de ruedas, rodillos, yugos, vigas de ejes, soportes de cojinetes y eslabones.

• En todas las industrias mecánicas se utilizan principalmente productos forjados.
• El rotor de la turbina, el rotor del generador, etc. son productos forjados.
• Proporciona una mayor resistencia a la fatiga, por lo que la mayoría de las piezas móviles, como el cigüeñal, los engranajes del árbol de levas, etc., se fabrican mediante una operación de forjado.
• La forja en frío se utiliza para producir cinceles, pernos, etc.
• Estos se utilizan principalmente en la fabricación de herramientas manuales y hardware.
• Se utiliza en la construcción naval en diversas obras de estructura.

Ventajas de la forja

La forja proporciona mejores propiedades mecánicas, ductilidad y resistencia a la fatiga y al impacto porque este proceso refina y dirige el flujo de grano de acuerdo con la forma de la pieza. Se pueden forjar casi todos los metales, ferrosos y no ferrosos.

• Las piezas fabricadas por forja son más fuertes
• Es más confiable y menos costoso
• Ofrece mejor respuesta al tratamiento térmico
• Ofrece mejores propiedades metalúrgicas y más consistentes
• Ofrece una amplia gama de tamaños de productos
• Requiere menos operaciones secundarias
• Tiene una gran flexibilidad de diseño

Desventajas de la forja

• En la forja en caliente es difícil realizar operaciones secundarias
• El costo de capital es más
• Se deben seguir procedimientos muy estrictos de seguridad para las personas y los materiales