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INTRODUCCION En 1797, Joseph Bramah patentó el primer proceso de extrusión para hacer un tubo de plomo. Éste consistía en el precalentamiento del metal para luego pasarlo por un troquel mediante un émbolo a mano. El proceso no fue desarrollado sino hasta 1820, cuando Thomas Burr construyó la primera prensa hidráulica. Hasta ese momento el proceso se llamó squirting . En 1894 Alexander Dick expandió el proceso de extrusión al cobre y aleaciones de bronce. La forja, al igual que la laminación y laminación y la extrusión, es un proceso de conformado por deformación plástica que puede realizarse en caliente o en frío y en el que la deformación del material se produce por la aplicación de fuerzas de compresión. Este proceso de fabricación 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 .
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Extrusión y Forjado EXTRUSIÓN La extrusión es un proceso utilizado para crear objetos con sección transversal definida y fija. El material se empuja o se extrae a través de un troquel de una sección transversal deseada. Las dos ventajas principales de este proceso por encima de procesos manufacturados son la habilidad para crear secciones transversales muy complejas y el trabajo con materiales que son quebradizos, porque el material solamente encuentra fuerzas de compresión y de cizallamiento. También las las piezas finales finales se se forman con una terminación terminación superficial superficial excelente. excelente. La extrusión puede ser continua (produciendo teóricamente de forma indefinida materiales largos) o semicontinua (produciendo muchas partes). El proceso de extrusión puede hacerse con el material caliente o frío. Los materiales extruidos comúnmente incluyen metales, polímeros, cerámicas, hormigón y hormigón y productos alimenticios. alimenticios.
Aluminio extruído; perfiles aptos para conectores especiales.
Troquel El troquel es un instrumento o máquina de bordes cortantes para recortar o estampar, por presión, planchas, cartones, cueros, etc. El troquelado es, por ejemplo, una de las principales operaciones en el proceso de fabricación de embalajes de cartón. 2
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El troquel consiste en:
Una base de una matriz con mayor resistencia o dureza que las cuchillas o estampa de elaboración de la pieza. Las regletas cortadoras o hendedoras. Sus funciones son las siguientes: cortar , bien para perfilar la silueta exterior, bien para fabricar ventanas u
orificios interiores hender , para fabricar pliegues
perforar , con el fin de crear un precortado que permita un fácil rasgado semicortar , es decir, realizar un corte parcial que no llegue a traspasar la
plancha Gomas. Gruesos bloques de goma que se colocan junto a las cuchillas y cuya función es la de separar por presión el recorte sobrante.
TIPOS DE TROQUELES Existen dos tipos básicos de troqueles: 1. Troquel plano. Su perfil es plano y la base contra la que actúa es metálica. Su movimiento es perpendicular a la plancha consiguiendo así una gran precisión en el corte. 2. Troquel rotativo . El troquel es cilíndrico y la base opuesta está hecha con un material flexible. Al contrario que en el troquelado plano, el movimiento es continuo y el registro de corte es de menor precisión. Ello es debido a que la incidencia de las cuchillas sobre la plancha se realiza de forma oblicua a la misma. Los embalajes fabricados en rotativo son, por tanto, aquellos que no presentan altas exigencias estructurales tales como las wrap around o algunas bandejas. Por su movimiento continuo, el 3
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troquelado rotativo consigue mayores productividades en fabricación que el plano. En la industria del cartón ondulado se utilizan indistintamente ambos tipos de troquel, si bien en la fabricación de cartoncillo se da el plano por sus mayores necesidades de precisión. En la industria del calzado se utiliza el troquel plano, realizado con un fleje especial de acero dispuesto perpendicularmente a la piel que descansa sobre una superficie plana. El fleje está reforzado con platinas de hierro que mantienen la perpendicularidad de éste. El diseño del troquel viene definido por las necesidades del envasador pudiendo conferir a la caja las más variadas formas. Su fabricación es todavía muy artesanal realizándose siempre bajo pedido.
Procesos de Extrusión
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El proceso comienza con el calentamiento del material. Éste se carga posteriormente dentro del contenedor de la prensa. Se coloca un bloque en la prensa de forma que sea empujado, haciéndolo pasar por el troquel. Si son requeridas mejores propiedades, el material puede ser tratado mediante calor o trabajado en frío. El radio de extrusión se define como el área de la sección transversal del material de partida dividida por el área de sección transversal del material al final de la extrusión. Una de las principales ventajas del proceso de extrusión es que este radio puede ser muy grande y aún producir piezas de calidad.
Extrusión en caliente La extrusión en caliente se hace a temperaturas elevadas para evitar el trabajo forzado y hacer más fácil el paso del material a través del troquel. La mayoría de la extrusión en caliente se realiza en prensas hidráulicas horizontales con rango de 250 a 12.000 t. Rangos de presión de 30 a 700 Mpa (4400 a 102.000 psi), por lo que la lubricación es necesaria, puede ser aceite o grafito para bajas temperaturas de extrusión, o polvo de cristal para altas temperaturas de extrusión. La mayor desventaja de este proceso es el costo de las maquinarias y su mantenimiento.
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Extrusión en frío La extrusión fría es hecha a temperatura ambiente o cerca de la temperatura ambiente. La ventaja de ésta sobre la extrusión en caliente es la falta de oxidación, lo que se traduce en una mayor fortaleza debido al trabajo en frío o tratamiento en frío, estrecha tolerancia, buen acabado de la superficie y rápida velocidad de extrusión si el material es sometido a breves calentamientos. Los materiales que son comúnmente tratados con extrusión fría son: plomo, estaño, aluminio, cobre, circonio, titanio, molibdeno, berilio, vanadio, niobio y acero. 6
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Algunos ejemplos de productos obtenidos por este proceso son: los tubos plegables, el extintor de incendios, cilindros del amortiguador, pistones automotores, entre otros.
Extrusión tibia La extrusión tibia se hace por encima de la temperatura ambiente pero por debajo de la temperatura de recristalización del material, en el rango de temperaturas de 800 a 1800 °F (de 424 °C a 975 °C). Este proceso es usualmente usado para lograr el equilibrio apropiado en las fuerzas requeridas, ductilidad y propiedades finales de la extrusión. La extrusión tibia tiene varias ventajas rentables comparadas con la extrusión fría: reduce la presión que debe ser aplicada al material y aumenta la ductilidad del acero. La extrusión tibia incluso puede eliminar el tratamiento térmico requerido en la extrusión en frío.
Equipamiento Existen diferentes variaciones en el equipamiento para la extrusión. Ellos varían en cuatro características fundamentales: 1. Movimiento de la extrusión con relación al material que será sometido a extrusión: Si el troquel se sostiene de forma estacionaria y el material de partida se mueve hacia él, se trata de una "extrusión directa". Si el material de partida está estacionario y el troquel se mueve hacia el material de partida, se trata entonces de una "extrusión indirecta". 2. La posición de la prensa, ya sea vertical u horizontal. 3. El tipo de manejo, ya sea hidráulico o mecánico. 4. El tipo de carga aplicada, ya sea convencional (variable) o hidráulica. 7
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Existen varios métodos para la formación de cavidades internas en la extrusión. Una vía es usar una barra hueca y entonces usar un mandril fijo o flotante. El mandril fijo también es conocido como tipo alemán, integrado dentro el dummy block y el mango. El mandril flotante también es conocido como tipo francés, flotadores en las hendeduras en el dummy block se alinean el mismo al troquel cuando ocurre la extrusión. Si una barra sólida es usada como material entonces esta debe, primero ser pasada por el mandril, antes de ser extruida por el troquel. Una prensa especial es usada para controlar el mandril independientemente del material de partida. La barra sólida puede incluso ser usada con el troquel araña, troquel tronera o troquel puente, todos estos tipos de troqueles incorporados al mandril en el troquel y mantienen el mandril en el lugar. Durante la extrusión el metal se divide y fluye alrededor de los sostenes, dejando una línea de soldadura en el producto final.
Extrusión directa La extrusión directa, también conocida como extrusión delantera, es el proceso más común de extrusión. Éste trabaja colocando la barra en un recipiente fuertemente reforzado. La barra es empujada a través del troquel por el tornillo o carnero. Hay un dummy block reusable entre el tornillo y la barra para mantenerlos separados. La mayor desventaja de este proceso es la fuerza requerida en la extrusión de la barra, es mayor que la necesitada en la extrusión indirecta porque la fuerza de fricción introducida por la necesidad de la barra de recorrer completamente el contenedor. Por eso la mayor fuerza requerida es al comienzo del proceso y decrece según la barra se va agotando. Al final de la barra la fuerza aumenta grandemente porque la barra es delgada y el material debe fluir no radialmente para salir del troquel. El final de la barra, llamado tacón final, no es usado por esta razón.
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Extrusión indirecta En la extrusión indirecta, también conocida como extrusión retardada, la barra y el contenedor se mueven juntos mientras el troquel está estacionario. El troquel es sostenido en el lugar por un soporte el cual debe ser tan largo como el contenedor. La longitud máxima de la extrusión está dada por la fuerza de la columna del soporte. Al moverse la barra con el contenedor, la fricción es eliminada. Ventajas:
Una reducción del 25 a 30% de la fuerza de fricción, permite la extrusión de largas barras. Hay una menor tendencia para la extrusión de resquebrajarse o quebrarse porque no hay calor formado por la fricción. El recubrimiento del contenedor durará más debido al menor uso. La barra es usada más uniformemente tal que los defectos de la extrusión y las zonas periféricas ásperas o granulares son menos probables
Desventajas:
Las impurezas y defectos en la superficie de la barra afectan la superficie de la extrusión. Antes de ser usada, la barra debe ser limpiada o pulida con un cepillo de alambres. Este proceso no es versátil como la extrusión directa porque el área de la sección transversal es limitada por el máximo tamaño del tallo.
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Extrusión hidrostática En la extrusión hidrostática la barra es completamente rodeada por un líquido a presión, excepto donde la barra hace contacto con el troquel. Este proceso puede ser hecho caliente, tibio o frío. De cualquier modo, la temperatura es limitada por la estabilidad del fluido usado. El fluido puede ser presurizado por dos vías: 1. Razón de extrusión constante : el émbolo es usado para presurizar el fluido dentro del contenedor. 2. Razón de extrusión constante : una bomba es usada, posiblemente con un intensificador de presión, para presurizar el fluido, el cual es bombeado al contenedor. Las ventajas de este proceso incluyen:
No fricción entre el contenedor y la barra, reduciendo la fuerza requerida. Esta finalmente permite mayores velocidades, proporciones de la reducción más altas y menores temperaturas de la barra. Usualmente la ductilidad del material disminuye cuando altas presiones son aplicadas. Largas barras y largas secciones transversales pueden ser extruídas.
Desventajas:
Las barras deben ser preparadas, adelgazado un extremo para que coincida con el ángulo de entrada del troquel. esto es necesario para formar un sello al principio del ciclo. Usualmente las barras enteras necesitan ser pulidas para quitarles cualquier defecto de la superficie. Contener el fluido en altas presiones puede ser dificultoso.
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Defectos de extrusión
Quebradura de superficie - cuando hay grietas en la superficie de extrusión. Esto se debe a la temperatura de extrusión, fricción, o velocidad muy alta. Esto puede pasar también a bajas temperaturas, si el producto temporalmente se pega al troquel. Defecto de tubo - Se crea una estructura de flujo que arrastra los óxidos de la superficie y las impurezas al centro del producto. Tales patrones que son frecuentemente causados por altas fricciones o enfriamiento de la parte externa de la barra. El agrietamiento interior o defecto Chevron se produce cuando el centro de la expulsión desarrolla grietas o vacíos. Estas grietas son atribuidas fuerzas de tensión hidrostática en la línea central en la zona de deformación en el troquel. Aumenta al aumentar el ángulo de la matriz y la concentración de impurezas, y disminuye al aumentar la relación de extrusión y la fricción.
Materiales Metal Metales que son comúnmente usados en procesos de extrusión:
Aluminio : es el material más común, puede ser extruido caliente o frío. si es extruido caliente es calentado de 575 a 11 00 °F (300 a 600 °C) . Ejemplos de este producto incluye armaduras, marcos, barras y disipadores de calor entre otros. Cobre (1100 a 1825 °F (600 a 1000 °C)) cañerías, alambres, varas, barras, tubos y electrodos de soldadura. A menudo se requieren 100 ksi (690 MPa) para extrudir el cobre. Plomo y estaño ((máximo 575 °F (300 °C)) cañerías, alambres, tubos y forros exteriores de cables. La fundición de plomo también es usada en vez del prensado de extrusión vertical. Magnesio ((575 a 1100 °F (300 a 600 °C)) en partes de aviones y partes de industrias nucleares. Zinc ((400 a 650 °F (200 a 350)), varas, barras, tubos, componentes de hardware, montajes y barandales Acero (1825 a 2375 °F (1000 a1300 °C)) varas y pistas, usualmente el carbón acerado simple es extruido. La aleación acero y acero inoxidable también puede ser extruida. Titanio ((1100 a 1825 °F (600 a 1000 °C)) componentes de aviones, asientos, pistas, anillos de arranques estructurales.
La aleación de magnesio y aluminio usualmente tiene 0.75 μm (30 μin). RMS o mejor acabado de superficie. El titanio y el acero pueden lograr 3 μm (125 μin).
RMS.
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En 1950 Ugine Séjournet de Francia, inventó un proceso el cual usaba cristal como lubricante para extruir acero. El proceso Ugine-Sejournet o Sejournet es ahora usado en otros materiales que tienen temperatura de fusión mayor que el acero o que requiere un limitado rango de temperatura su extrusión. El proceso comienza por el calentamiento del material a la temperatura de extrusión y entonces es enrollado en polvo de cristal. El cristal se funde y forma una fina capa que actúa como lubricante. Un espero anillo de cristal sólido con 0,25 a 0,75, en (6 a 18 mm) de espesor es ubicado en la cámara sobre el troquel para lubricar la extrusión mientras es forzado a pasar por el troquel. Una segunda ventaja del anillo de cristal es la habilidad de aislar el calor de la barra del troquel. La extrusión tendrá una capa de cristal de 1 mil de espesor, la que puede ser fácilmente quitada cuando se enfría. Otro descubrimiento en la lubricación es el uso del revestimiento de fosfato. Con este proceso junto a la lubricación con cristal, el acero puede ser extruido con extrusión fría. La capa de fosfato absorbe al cristal líquido para ofrecer una mejor propiedad de lubricación.
Plásticos
Cauchos Similar a la extrusión con plásticos pero con un posterior vulcanizado por calor.
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Cerámicas
Bote de Play-Doh verde junto a un juguete de extrusión. La cerámica también puede formarse a través de la extrusión. La extrusión de la terracota se usa para producir las cañerías. Muchos ladrillos modernos también son manufacturados usando un proceso de extrusión de ladrillos
Alimentos La extrusión ha tenido una gran aplicación en el proceso de alimentación. Productos como pastas, masa de la galleta, cereales del desayuno, la comidas para bebé, las papas fritas y la comida seca, entre otros, son principalmente manufacturados por la extrusión. En el proceso, se muelen los materiales hasta darles el tamaño correcto a las partículas (usando la consistencia de la harina ordinaria). La mezcla seca se pasa a través de un pre-acondicionador donde se agregan otros ingredientes (azúcar líquido, grasas, tintes, carnes y agua que dependen del producto). La mezcla pre condicionada se pasa entonces a través de un extrusor forzándola a pasar por un troquel donde se corta a la longitud deseada. El proceso de cocción tiene lugar dentro del extrusor en el que el producto produce su propia fricción y calor debido a la presión generada (10-20 bar). El proceso de cocción utiliza un proceso conocido como el gelatinización del almidón. Los extrusores que usan este proceso tienen una capacidad de 1-25 toneladas por hora. El uso de la expulsión en el proceso cocción proporciona a los alimentos las siguientes características:
Gelatinización del almidón Desnaturalización de las proteína Inactivación de enzimas de comida crudas La destrucción de toxinas naturalmente Disminución de microorganismos en el producto final 13
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Ligero aumento de la biodisponibilidad de hierro Creación de almidones para necesidades de hiposensibilización de insulina, un factor de riesgo para el desarrollo de diabetes. Pérdida de lisina, un aminoácido esencial necesario para el crecimiento y el metabolismo del nitrógeno. Simplificación de almidones complejos, aumentando las tasas de deterioro dental. Destrucción de vitamina A (beta-caroteno).
La extrusión también es utilizada para el desarrollo de comida para mascotas.
FORJADO HISTORIA La historia de la forja, como la historia cultural del hombre proviene de la tierra entre el Tigris y el Eufrates, alguna vez llamada Mesopotamia. Los signos más tempranos del trabajo con metales remontan aproximadamente al 4500 A.de C. Los habitantes de este valle fértil eran los sumerios. Esta gente, una mezcla de muchos fondos étnicos, fueron los fundadores verdaderos de la metalurgia como la conocemos hoy. El arte de la forja, dar forma al metal usando calor y presión, progresó hasta la edad del oscurantismo (Alta Edad Media); al mismo tiempo que los avances más industriales, científicos y culturales se realizaron. Antes de este tiempo, la posesión de los metales fue considerada como un signo de riqueza. Los Romanos incluso tenían dioses dedicados a la forja, el más notable ser el Vulcano.
Invención de la Prensa de Forja Con la introducción de automóviles y en el particular Modelo de T de Henry Ford produjo una demanda considerable de forjas desarrolladas en los primeros años del siglo XX. Hasta 1930, cuando la Empresa de Maquinaria Nacional de los EE.UU. introdujo la primera prensa de forja (Maxi press), todas las forjas fueron producidas sobre martillos. La ventaja de la prensa fue ejemplificada por tarifas de producción más alta y un grado menor de habilidad en la producción comparada con la forja con martillo. La introducción de la prensa de forja hizo anticuado la forja con martillo, pero más bien desafió a los fabricantes para mejorar su producto y desde luego, muchas de las forjas son mejores hechas sobre martillos.
¿Por qué la forja es tan utilizada? Desde los comienzos el trabajo en metales ha asegurado la resistencia, la dureza, la fiabilidad, y la calidad más alta en una variedad de productos. Hoy, estas ventajas de componentes forjados asumen la importancia mayor como temperaturas de funcionamiento, cargas, y el aumento de esfuerzos. Los componentes forjados hacen posibles diseños que acomodan las cargas 14
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más altas y esfuerzos. Avances recientes en la tecnología de la forja han aumentado enormemente la gama de propiedades disponibles en forjas. Económicamente, los productos forjados son atractivos debido a su inherente fiabilidad superior, capacidades de tolerancias mejoradas, y la eficacia más alta con la cual las forjas pueden ser trabajadas a máquina y procesadas por métodos automatizados El grado de fiabilidad estructural alcanzada en una forja es poco comparable con cualquier otro proceso de trabajo en metales. No hay bolsillos internos de gases o vacíos que podrían causar el fracaso inesperado bajo tensión o impacto. A menudo, el proceso de forja ayuda en el mejoramiento de la segregación química gracias a la acción de la forja de mover el material a varias posiciones.
PROCESO
DE
CONFORMADO
FORJADO
DE
METALES
El forjado es el primero de los procesos de tipo de compresión. La aplicación de esfuerzos de compresión que obligan al metal a tomar cierta forma. Este esfuerzo puede ser aplicado manual o hidráulicamente por maquinas. Este proceso puede realizarse en frio o caliente, pero una gran mayoría se hace en caliente por factores como la facilidad y costo que involucra la deformación, la producción con ciertas propiedades y acabado superficial. Existen dos clases de procedimientos de forjado: forjado por impacto y forjado por presión. En el primero, la carga es aplicada por impacto y la deformación tiene lugar en un corto tiempo. Por otra parte, en el forjado por presión, se involucra la aplicación gradual de presión para lograr la cedencia del metal. El tiempo de aplicación es relativamente largo. El forjado por impacto:
a) Forjado de herrero: Es el forjado que se veía antiguamente, en el cual el herrero ayudado de sus herramientas, martillaba el metal hasta el punto requerido. b) Forjado con martinete: A comparación del forjado de herrero, solo se reemplaza la fuerza limitada del herrero. En este proceso, la fuerza la hace un martillo mecánico o de vapor. El forjado por presión: En este proceso la prensa no es mecánica, ahora la prensa es hidráulica. Donde un cilindro hidráulico mueve un mazo verticalmente con cierta presión según las consideraciones necesarias para dar la forma al material Detalles: * No hay materia prima fundida. * Molde hueco, la pieza a formar entra en el molde. * La mayoría de los moldes son en forma de cuadro. * Lo principal es presión vs temperatura. 15
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Forja en frio: Es un proceso en el trabajo de los metales que, básicamente, hace uso de una herramienta de prensado o morir. Cualquiera que sea la forma de la herramienta de prensado utilizado en el proceso también será la forma de la salida. El procedimiento se efectúa en la habitación o cerca de la temperatura ambiente. Forja en frío es un proceso en el trabajo de los metales que, básicamente, hace uso de una herramienta de prensado o morir. En algunos puntos, también es conocido como la partida en frío. Básico proceso de forja en frío: La forma más simple del proceso de forja en frío se desarrolla en algunos pasos. Comienza cuando un bar o un stock de alambre se coloca en el estampado o presionando herramienta. Los resultados más comunes son los clavos, tornillos con una cabeza o una saeta. Una vez que estas salidas de someterse a otro proceso en frío, la forma se puede cambiar a otras formas. Los ejemplos más comunes son los jefes de destornilladores o nudos.
La forja en caliente Este sistema garantiza el tratamiento adecuado del acero para la fabricación de utensilios de corte. Esta técnica es, sin duda, el mejor proceso de transformación de aceros para conseguir una herramienta de alta calidad. Partiendo de una bovina de varilla de acero, el carbono se endereza y se calienta a una temperatura de aproximadamente 1.200º C en un horno de inducción. Para la estampación se utiliza un martillo hidráulico. El forjador coloca la varilla a temperatura de forja, previamente regulada por un pirómetro y posteriormente cortada con una cizalla sobre el troquel inferior donde se produce la estampación de la misma, y deposita la pieza forjada en una cadena transportadora que la lleva hasta caer en un contenedor. A continuación se elimina la cascarilla superficial en un bombo, dejando las piezas listas para el inicio de los posteriores procesos de fabricación. Una vez terminada, la tijera es distribuida entre los salones de peluquería, donde hay que tener en cuenta algunas normas de mantenimiento, como guardarla en una funda de cuero o en un caja para que en caso de caída no se deforme y agarrarla siempre por el mango, o no cortar ningún material que no sea papel para no desfilar su corte.
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PROCESO DE FORJADO Primero se obtiene un pedazo de acero, del tipo de acero dependerán las temperaturas de templado, revenido, etc -se calienta la pieza a una cierta temperatura (no entiendo cual debe de ser) y se comienza a darle forma mediante golpes. Gradualmente la pieza se va ir enfriando, para lo que hay que volver a calentar y una vez caliente volver a dar forma a golpes. Este proceso se repite hasta alcanzar la forma deseada. -Ya que tenemos la forma deseada procedemos a templarlo, que según entendí es un proceso mediante el cual le brindamos dureza a la hoja, para esto tenemos que calentarla a una cierta temperatura (no entiendo cual debe de ser) y enfriarla bruscamente en agua tibia o aceite. -Después viene el revenido, que según yo es un proceso mediante el cual se le da a la hoja cierta elasticidad, por así decirlo, ya que queda muy frágil después del templado, para este proceso se calienta la hoja a una cierta temperatura (no entiendo cual debe de ser) y se deja así durante un cierto tiempo (no entiendo cual debe de ser), después se retira del horno y se deja enfriar a temperatura ambiente. -Ya queda lista la hoja para ponerle el mango, pulirla y afilarla
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Tipos de Procesos de forja.
Hay un gran número de procesos de forja, los que pueden ser resumidos así: •Forja por impresión cerrada con matriz con exceso de material •Forja por impresión cerrada con matriz sin exceso de material •Electro-upsetting •Extrusión hacia delante •Extrusión hacia atrás •Forja Radial •Hobbing •Forja Isotérmica •Forja con matriz abierta •Forja orbital •Powder metal forging (P/M) •Upsseting •Noising
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Forja por impresión cerrada con matriz con exceso de material. Definición En este proceso, un tocho (palanquilla) es formado (en caliente) en una matriz (por lo general con dos mitades) tal que el flujo de metal de la cavidad de la matriz es restringido. El material de exceso es sacado por un hueco restrictivo estrecho y aparece exceso de material alrededor de la forja en la línea de partición de la matriz.
Equipo Yunque y martillos de contragolpe, hidráulicos, mecánicos, y prensas de tornillo.
Materiales. Aceros al carbono y de aleación, aleaciones de aluminio, aleaciones de cobre, aleaciones de magnesio, berilio, aceros inoxidables, aleaciones de níquel, titanio y aleaciones de titanio, súper aleaciones de hierro, níquel y cobalto, niobio y aleaciones de niobio, tántalo y aleaciones de tántalo, molibdeno y aleaciones de molibdeno, aleaciones de tungsteno.
Variaciones de Proceso Forja por impresión cerrada con matriz con exceso de material lateral, longitudinal y sin flash.
Uso. Producción de forjas para coches, camiones, tractores, equipos de carretera, avión, ferrocarril y equipo de minería, industria general mecánica y producciones ingenieriles relacionadas con la energía.
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Forja por impresión cerrada con molde sin exceso de material La forja, al igual que la laminación y la extrusión, es un proceso de conformado por deformación plástica que puede realizarse en caliente o en frío y en el que la deformación del material se produce por la aplicación de fuerzas de compresión. Este proceso de fabricación 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. Los principales tipos de forja que existen son: 1. 2. 3. 4.
Forja libre Forja con estampa Recalcado Forjado isotérmico
1.- Forja libre Es el tipo de forja industrial más antiguo y 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
Antes y después de aplicar el proceso de forja con estampa
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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 las 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, cave mencionar que es el forjado de estampa. También puede encontrarse como forja en dados cerrados.
3.- 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 frió y en los extremos de las piezas se denomina encabezado en frío. Efectos que producen 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 re cristalización 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.
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Eliminación de cavidades, poros, sopladuras, etc.: Debido a las enormes presiones a las que el material es sometido en la operación, éste es compactado y desaparecen las cavidades, poros, sopladuras, etc. (siempre que las paredes de estos defectos no estén oxidadas).
4.-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.
Forja artesanal En este caso, la forja es el arte y el lugar de trabajo del forjador o herrero, cuyo trabajo consiste en dar forma al metal por medio del fuego y del martillo.
Forjado en dado abierto El caso más simple de forjado consiste en comprimir una parte de sección cilíndrica entre dos dados planos, muy semejante a un ensayo de la compresión. Esta operación de forjado se conoce como recalcado o forjado para recalcar, reduce la altura de material de trabajo e incrementa su diámetro. Deformación homogénea de una parte de trabajo cilíndrica bajo condiciones ideales en una operación de forjado en dado abierto: (1) inicio del proceso con la parte de trabajo a su altura y diámetros originales. (2) compresión parcial y (3) tamaño final.
Forjado con dado impresor Llamado algunas veces forjado en dado cerrado, se realiza con dados que tienen la forma inversa a la requerida para la parte. La pieza de trabajo inicial se muestra como una parte cilíndrica. Al cerrarse el dado y llegar a su posición final, el metal fluye más allá de la cavidad del dado y forma una rebaba en la pequeña abertura entre las placas del dado. Aunque la rebaba se recorta posteriormente, tiene realmente una función importante en el forjado por impresión, ya que cuando ésta empieza a formarse, la 22
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fricción se opone a que el metal siga fluyendo hacia la abertura, y de esta manera fuerza al material de trabajo a permanecer en la cavidad, En el formado en caliente, la restricción del flujo de metal es mayor debido a que la rebaba delgada se enfría rápidamente contra las placas del dado, incrementando la resistencia a la deformación. La restricción del flujo de metal en la abertura hace que las presiones de compresión se incrementen significativamente, forzando al material a llenar los detalles algunas veces intrincados de la cavidad del dado, con esto se obtiene un producto de alta calidad. Con frecuencia se requieren varios pasos en el forjado con dado impresor para transformar la forma inicial en la forma final deseada. Para cada paso se necesitan cavidades separadas. Los pasos iniciales se diseñan para redistribuir el metal en la parte de trabajo y conseguir así una deformación uniforme y la estructura metálica requerida para las etapas siguientes, Los últimos pasos le dan el acabado final a la pieza. Además, cuando se usan martinetes; se pueden requerir varios golpes de martillo para cada paso. Cuando el forjado con martinete se hace a mano, como sucede a menudo, se requiere considerable habilidad del operador para lograr resultados consistentes en condiciones adversas. Debido a la formación de rebaba en el forjado con dado impresor y a las formas más complejas de las partes hechas con estos dados, las fuerzas en este proceso son considerablemente más grandes y más difíciles de analizar a diferencia del forjado con dado abierto. El forjado con dado impresor no tiene tolerancias estrechas de trabajo y frecuentemente se requiere el maquinado para lograr la precisión necesaria. El proceso de forjado genera la geometría básica de la parte y el maquinado realiza los acabados de precisión que se requieren en algunas porciones de la parte (por ejemplo, perforaciones, cuerdas y superficies que deben coincidir con otros componentes). Las ventajas del forjado sobre el maquinado completo de la parte son: velocidad de producción más alta, conservación del metal, mayor resistencia y orientación más favorable de los granos de metal. Los mejoramientos de la tecnología del forjado con dado impresor han tenido como resultado la capacidad de producir forjados con secciones más delgadas, formas más complejas, reducción drástica de los requerimientos de ahusamiento en los dados, tolerancias más estrechas y la virtual eliminación de concesiones al maquinado. Los procesos de forjado con estas características se conocen como forjado de precisión.
Forjado sin rebaba En la terminología industrial, el forjado con dado impresor se llama algunas veces forjado en dado cerrado. Sin embargo, hay una distinción técnica entre forjado con dado impresor y forjado con dado cerrado real. La distinción es que en el forjado con dado cerrado, la pieza de trabajo original queda contenida completamente dentro de la cavidad del dado durante la 23
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compresión y no se forma rebaba. Para identificar este proceso es apropiado el término forjado sin rebaba. El forjado sin rebaba impone ciertos requerimiento sobre el control del proceso, más exigentes que el forjado con dado impresor. El parámetro más importante es que el volumen del material de trabajo debe igualar al volumen de la cavidad del dado dentro de muy estrechas tolerancias. Si la pieza de trabajo inicial es demasiado grande, la presión excesiva puede causar daño al dado o a la prensa. Si la pieza de trabajo es demasiado pequeña, no se llenará la cavidad. Debido a este requerimiento especial, el proceso es más adecuado en la manufactura de partes geométricas simples y simétricas, y para trabajar metales como el aluminio, el magnesio o sus aleaciones. El forjado sin rebaba se clasifica frecuentemente como un proceso de forjado de precisión Las fuerzas en el forjado sin rebaba alcanzan valores comparables a las del forjado con dado impresor. El acuñado es una aplicación especial del forjado sin rebaba mediante el cual se imprimen los finos detalles del dado en la superficie superior y en el fondo de la pieza de trabajo. En el acuñado hay poco flujo de metal; no obstante, las presiones requeridas para reproducir los detalles superficiales de la cavidad del dado son altas. El proceso se usa también para dar acabados superficiales y de precisión dimensional a algunas partes fabricadas por otras operaciones Dados de forjado, martinetes y prensas. El equipo que se usa en forjado consiste en máquinas de forja, que se clasifican en martinetes prensas dados de forjado y herramientas especiales que se usan en estas máquinas; equipos auxiliares como hornos para calentar el material trabajo, dispositivos mecánicos para cargar y descargar el material de trabajo y estaciones de recorte para recortar las rebabas del forjado con dado impresor.
Forjado con rodillos Es un proceso de deformación que se usa para reducir la sección transversal de una pieza de trabajo cilíndrica (o rectangular), ésta pasa a través de una serie de rodillos opuestos con canales que igualan la forma requerida por la parte final. El forjado con rodillos se clasifica generalmente como un proceso de forja, aun cuando utiliza rodillos. Los rodillos no giran continuamente, sino solamente a través de una porción de revolución que corresponde a la deformación que requiere la parte. La partes forjadas con rodillos son generalmente más fuertes y poseen una estructura granular favorable con respecto a otros procesos competidores como el maquinado que puede usarse para producir estas mismas partes.
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Martinetes de forja. Estos martinetes funcionan aplicando una descarga por impacto contra el material de trabajo. Se usa frecuentemente el término martinete de caída libre para designar, estas máquinas, por la forma de liberar la energía de impacto. Los martinetes se usan más frecuentemente para forjado con dado impresor. La parte superior del dado de forjado se fija al pisón y la parte inferior se fija al yunque. En la operación, el material de trabajo se coloca en el dado inferior, el pisón se eleva y luego se deja caer sobre la pieza de trabajo. Cuando la parte superior del dado golpea el material de trabajo, la energía del impacto ocasiona que la parte tome la forma de la cavidad del dado. Se necesitan varios golpes de martillo para lograr el cambio deseado de forma. Los martinetes se pueden clasificar cómo martinetes de caída libre y martinetes de potencia. Los martinetes de caída libre generan su energía por el peso de un pisón que cae libremente. La fuerza del golpe se determina por la altura de la caída y el peso del pisón. Los martinetes de potencia aceleran el pisón con presión de aire o vapor. Una desventaja del martinete de caída libre es que una gran parte de la energía del impacto se trasmite a través del yunque al piso del edificio. Prensas de forjado Las prensas aplican una presión gradual, en lugar de impactos repentinos para realizar las operaciones de forja. Las prensas de forjado incluyen prensas mecánicas, prensas hidráulicas y prensas de tornillo. Las prensas mecánicas funcionan por medio de excéntricos, manivelas y juntas o articulaciones de bisagra que convierten el movimiento giratorio de un motor en movimientos de traslación del pisón. Las prensas mecánicas típicas alcanzan fuerzas muy altas en el fondo del recorrido de forjado. Las prensas hidráulicas usan un cilindro hidráulico para accionar el pisón. Las prensas de tornillo aplican la fuerza por medio de un tornillo que mueve al pisón vertical. Tanto las prensas de tornillo como las hidráulicas operan a velocidades bajas del pisón o ariete y pueden suministrar una fuerza constante a través de la carrera. Por tanto, estas máquinas son apropiadas para las operaciones de forjado (y otras operaciones de formado) que requieren grandes carreras.
Máquinas de Forja Modernas Controladas por computadora. Hoy tenemos martillos controlados por computadora y prensas capaces de hacer una amplia gama de componentes en una variedad de materiales para muchos usos incluyendo la industria aeroespacial, automotriz, minería y agrícola, por mencionar unos cuantos. La Forja como una forma de arte comenzada con el deseo de producir objetos decorativos de metales preciosos. Hoy, la forja es una industria principal mundial que considerablemente ha contribuido al desarrollo de hombre.
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Propiedades direccionales. La forja es el proceso por el cual el metal es calentado y es formado mediante de formación plástica por la aplicación de esfuerzos de compresión. Por lo general la fuerza compresiva es en forma de martillazos que usan un martillo de poder o una prensa. La forja refina el grano y mejora las propiedades mecánicas del metal. Con el diseño apropiado, el flujo de grano puede ser orientado en la dirección de esfuerzos principales encontrados en el empleo real. El flujo de grano es la dirección del modelo que los cristales toman durante la deformación plástica. Propiedades mecánicas (como la resistencia, la ductilidad y la dureza) son mucho mejor en una forja que en el metal base, que tiene, cristales orientados al azar. Las forjas son homogéneas, sin porosidades, vacíos, inclusiones y otros defectos. También con operaciones superficiales como el revestimiento o la pintura se obtienen excelentes resultados debido a una superficie buena, que necesita muy poca preparación.
Forja como un Sistema Un sistema de forja comprende todas las variables de entrada como el lingote o la pieza en bruto que se trabaja (la geometría y el material), la herramienta (la geometría y el material), las condiciones en el interfaz de instrumento/material, la mecánica de deformación plástica, el equipo usado, las características del producto final, y finalmente el ambiente de planta donde el proceso está siendo llevado acabo. El “system approach” en la forja permite el estudio de las relación es entre entradas y salidas y el efecto de las variables del proceso en la calidad del producto y economía de proceso. La demuestra diversos componentes del sistema de forja. La clave para un exitoso proceso de forja, es decir, la obtención de forma y características deseadas, es la compresión y el control y el control del flujo del metal. La dirección del flujo del metal, la magnitud de deformación, y las temperaturas influencian fuertemente las características de los componentes formados. El flujo del metal determina las propiedades mecánicas relacionadas con la deformación local y la formación de defectos tales como grietas sobre o bajo de la superficie. El flujo local del metal alternadamente es influenciado por las variables de proceso resumidas abajo: Tensión del flujo en función de la composición química, estructura metalúrgica, tamaño de grano, segregación, historia anterior de esfuerzos aplicados, temperatura de la deformación, grado de deformación o filtrar, y índice de la tarifa de la deformación, y de la micro estructura.
Caracterización del material Para una composición dada de material y la historia de deformación / tratamiento térmico (la microestructura), la tensión de flujo y la viabilidad (o forjabilidad) en varias direcciones (la anisotropía) son las variables materiales 26
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más importantes en el análisis de un proceso de forja de metal. Para una microestructura dada, la tensión de flujo, es expresado como una función de la deformación, grado de deformación, y temperatura, La viabilidad, forjabilidad, o formabilidad es la capacidad del material de deformarse sin la ruptura, esto depende de: (a) Condiciones que existen durante el tratamiento de deformación (como la temperatura, el grado de deformación, esfuerzos, y la historia de deform.) y (b) variables de material (como la composición, vacancias, inclusiones, y la micro estructura inicial). En procesos de forja en caliente, gradientes de temperaturas en el material de deformación (por ejemplo, debido al enfriando local de la matriz) también influyen en el flujo metálico y fenómenos de fractura.
Herramientas y Equipos La selección de una máquina para un proceso dado es influenciada por el tiempo, la precisión, y la relación carga/energía característicos de aquella máquina. La selección del equipo óptimo requiere la consideración del sistema de forja entero, incluyendo el tamaño de la pieza, condiciones en la planta, efectos ambientales, y exigencias de mantenimiento, así como las exigencias de la pieza específica y el proceso a considerar. Las variables de la herramienta incluyen al: (a) diseño y la geometría, (b) el acabado superficial, (c) la rigidez, y (d) propiedades mecánicas y térmicas bajo condiciones de empleo.
Zona y mecanismos de deformación. En la forja, el material es deformado plásticamente para generar la forma del producto deseado. El flujo metálico es influido principalmente por (a) la geometría de instrumento, (b) condiciones de fricción, (c) las características del material a forjar, y (d) condiciones térmicas que existen en la zona de deformación. Los detalles de flujo metálico influyen en la calidad y las propiedades del producto formado y los esfuerzos y las exigencias de energía del proceso. La mecánica de deformación, p. ej., el flujo metálico, esfuerzos, grados de deformación, puede ser investigada usando uno delos métodos aproximados de análisis (p.ej., el análisis de elemento finito, la diferencia finita, desbaste plano, la cota superior, etc.) 27
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Geometría del producto y propiedades La macro y micro geometría del producto p ej su dimensión, acabado superficial, son influenciado por las variables del proceso. Las condiciones del proceso (Tº, deformación, esfuerzos). Determinan las variaciones microestructurales que ocurren durante la deformación y a menudo influye en las propiedades de producto finales. Por consiguiente, un acercamiento de sistema realista debe incluir la consideración de: (a) las relaciones entre propiedades y micro estructura del material formado y (b) las influencias cuantitativas de condiciones de proceso y programas de tratamient o térmico sobre variaciones micro estructurales.
Martillo y Forja de Prensa Generalmente, los componentes forjados son formados por un martillo o la prensa. La forja con martillo es realizado en una sucesión de impresiones producto de golpes repetidos. La calidad de la forja, economía y la productividad del proceso de martillo depende del labrado y la habilidad del operador. El advenimiento de martillos programables ha influido sobre menos dependencia de operador y ha mejorado la consistencia de proceso. En una prensa, el metal, por lo general es golpeado sólo una vez y el diseño de cada impresión se hace más importante mientras la habilidad de operador es menos importante.
FRAGUA 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 mediante brocas, fresadoras, torno, etc., y de otros procesos por los que se da forma al metal fundido vertiéndolo dentro de un molde (fundición). Al tratarse de un oficio casi en extinción, hay muy pocos artistas forjadores que realmente utilizan el hierro de forma artesanal. Este proceso puede aplicarse a algunos materiales:
Metales puros: aluminio, cobre, titanio y zinc.
Aleaciones: acero, de aluminio, de cobre, de magnesio y bronces.
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CONCLUSIONES
El proceso de extrusión da la facilidad de producir una variedad de formas de alta resistencia, buena exactitud y terminado de superficie a altas velocidades de producción. Longitudes casi ilimitadas. El forjado es el proceso de conformado donde los metales son prensados bajo grandes cargas de compresión para generar piezas de alta resistencia y tenacidad.
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