Forja

Per a atres usos d'este terme vore Forja (desambiguació).

La forja és un procés de manufactura que implica donar forma al metal. De la mateixa manera que la laminación i l'extrusió, és un procés de fabricació d'objectes conformat per deformació plàstica en el que la deformació del material es produïx per l'aplicació de forces de compressió. Este procés s'utilisa per a donar una forma i unes propietats determinades als metals i aleacions als que s'aplica per mig de grans pressions. La deformació es pot realisar de dos formes diferents: per pressió, de forma contínua utilisant prenses, o per impacte, de modo intermitent utilisant martells pilones. Cal destacar que és un procés de conformat de metals en el que no es produïx arrancada de borumballa, en lo que es produïx un important aforro de material respecte a atres processos, com per eixemple el mecanisat.

Tipos

Els principals tipos de forja que existixen són:

Forja lliure
Forja en estampa
Forjat isotèrmic
Recalcat

1. Forja lliure

És el tipo de forja industrial més antic. Este es caracterisa perque la deformació del metal no està llimitada (és lliure) per la seua forma o massa. S'utilisa per a fabricar peces úniques o chicotets lots de peces, a on normalment estes són de gran tamany. Ademés este tipo de forja servix com a preparació de les preformas a utilisar en forges per estampa. També pot trobar-se com forja en daus oberts.

2. Forja en estampa

Antes i despuix d'aplicar el procés de forja en estampa

Este tipo de forja consistix en colocar la peça entre dos matrius que en tancar-se conformen una cavitat en la forma i dimensions que es desigen obtindre per a la peça. A mida que alvança el procés, ya siga amprant martells o prenses, el material es va deformant i adaptant a les matrius fins que adquirix la geometria desijada. Este procés deu realisar-se en una cordonera de rebaba que servix per a aportar la pressió necessària en omplir les zones finals de la peça, especialment si els radis d'acort de la peça són de chicotet tamany i pot estar sense rebaba, depenent de si les matrius duen incorporada una zona de desfogue per a estajar el material sobrer (rebaba) o no. S'utilisa per a fabricar grans séries de peces les dimensions de les quals i geometria poden variar àmpliament. Les dimensions d'estes peces van des d'uns pocs milímetros de llongitut i grams de pes fins a varis metros i tonelladas, i les seues geometria poden ser simples o complexes.

3. Forjat isotèrmic

Artícul principal → Forjat isotèrmic.

El forjat isotèrmic és un tipo especial de forja en la quala temperatura dels troquelar és significativament superior a l'utilisada en processos de forja convencional.

4. Recalcat

A diferència dels processos anteriors que es realisen en calent, este ademés pot realisar-se en fret. Consistix en la concentració o acumulació de material en una zona determinada i llimitada d'una peça (normalment en forma de barra). Per tant, una conseqüència directa d'este procés és que disminuïx la llongitut de la barra inicial i aumenta la secció travessera d'esta en la zona recalcada. Si el procés es realisa en fret i en els extrems de les peces es denomina encapçalat en fret.

Aplicacions

La forja té multitut d'aplicacions en distints camps, com lo són bielas, cigonyals, eixos, reixes, baranas, caps de tornells, femellas i pernos, reblones, taches, etc.

Efectes que produïx la forja en calent i el forjat isotèrmic

Orientació de la fibra: les propietats mecàniques del producte variaran, millorant-les si l'esforç s'aplica en la direcció de la fibra formada pel procés i empijorant-les si s'aplica en direcció perpendicular.
Afinamiento del gra: açò es produïx a temperatures superiors a la de recristalización pero inferiors a la d'equicohesión i la forja es realisa en martells pilones, de modo intermitent. En canvi, el afinamiento no es produirà si se supera la temperatura d'equicohesión i la forja es realisa utilisant prenses, de forma contínua.
Eliminació de cavitats, poros, sopladuras, etc.: per les enormes pressions a les que el material és somés en l'operació, est és compactar i desapareixen les cavitats, poros, sopladuras, etc. (sempre que les parets d'estos defectes no estiguen oxidades).

Forja artesanal

En este cas, la forja és l'art del ferrer, el treball del qual consistix en donar forma al metal per mig del fòc i del martell. Una forja conté bàsicament una forja per a calfar els metals (normalment composts de ferro), un enclusa i un recipient en el qual es poden gelar ràpidament les peces forjades per a templar-les. Les ferramentes inclouen tenazas per a sostindre el metal calent i martells per a colpejar-ho. En la forja es modela el metal per deformació plàstica i és diferent d'atres treballs del metal en els que s'elimina part del material com en el mecanisat, i d'atres processos pels que es dona forma al metal fos abocant-ho dins d'un mòle (fundició).

Materials als que s'aplica

Este procés pot aplicar-se a:

Metals purs: alumini, coure, titani i zinc.
Aleacions: acer, d'alumini, de coure, de magnesi i bronzes

Càlcul ingenieril del processe

Anàlisis numèric del procés de forja

A continuació s'expon la formulació matemàtica necessària per al càlcul en un procés de forja lliure (vejau figura) de la força i potència requerida^[1]:

Força necessària per a realisar la forja:

$F_{f o r j a} = K_{f} \cdot Y_{f} \cdot A$

donde $K_{f}$ un factor que mayora el cálculo per a tener en cuenta la fricció entre material-punzón o la forma de les matrices/estampas, según proceso, $Y_{f}$ es la tensión del material en la direcció del proceso de forja, y $A$ es el área sobre el que se realiza la fuerza de compresión de forjado. per a el caso de forja con estampa, $A$ es el área proyectada de la pieza incluyendo la rebaba. per a el caso de forja libre, el factor $K_{f}$ se obté de:

$K_{f} = 1 + \frac{0, 4 \cdot μ \cdot D}{h}$

donde $μ$ es el coeficiente de rozamiento entre el material y la prensa, y $D$ y $h$ són el diámetro (o longitut de contacto) y la altura de la pieza en el instante calculado. per a el caso de forja con estampa, $K_{f}$ se obté de tablas en libros o manuals técnicos:

En el proceso de forja, el cálculo $Y_{f}$ se realiza como sigue:

$Y_{f} = K \cdot ε^{n}$

donde $K$ es el coeficiente de resistencia del material y $n$ es el coeficiente d'endurecimiento por acritud, y la deformación real es:

$ε = l n \frac{h_{i}}{h_{f}}$

donde $h_{i}$ es la altura inicial del bruto de partida y $h_{f}$ es la altura final.

Ejemplo

Se desea calcular la fuerza requerida per a realizar el encabezado en frío sin matriz (forja libre) d'una varilla d'acero al carbono de 5 mm de diámetro. El proceso de forja genera una cabeza cilíndrica de 10 mm de diámetro y 2 mm d'espesor. els datos del material són: coeficiente de resistencia del material 640 N/mm², límite elàstic 395 MPa y coeficiente d'endurecimiento por acritud 0,24. La fuerza necesaria se estima como:

$F_{f o r j a} = K_{f} \cdot Y_{f} \cdot A$

A medida que se realiza el encabezado, el área de contacto aumenta, aumentando la fuerza de forjado requerida. Por tanto, la máxima fuerza durante el proceso se tiene al final del misme, cuando ya se ha formado la cabeza de 10 mm de diámetro y 2 mm d'espesor. Por tanto, per a el proceso de forja libre el factor $K_{f}$ se obté como:

$K_{f} = 1 + \frac{0, 4 \cdot μ \cdot D}{h} = 1 + \frac{0, 4 \cdot 0, 1 \cdot 10}{2} = 1, 2$

La tensión del material al final del encabezado es:

$Y_{f} = K \cdot ε^{n} = 640 \cdot 1, 38 6^{0, 24} = 692, 19 N / m m^{2}$

ya que la deformación real es:

$ε = l n \frac{h_{i}}{h_{f}} = l n \frac{8}{2} = 1, 386$

El valor de $h_{i} = 8 m m$ se obté por igualdad de volúmenes, puesto que en cualquier proceso de deformación plástica volumétrica se considera que el material es incompresible, y por tanto el volumen antes y despuix del proceso de deformación es el misme. Sustituyendo els valores, se tiene:

$F_{f o r j a} = K_{f} \cdot Y_{f} \cdot A = 1, 2 \cdot 692, 19 \cdot (π \cdot 1 0^{2} / 4)) = 65, 24 k N$

Vore també

Bibliografia

Carlos Vila Pastor, Fernando Romero Subirón, Gràcia M. Brusques Bellido i Juliol Serrano Mira, “Tecnologia Mecànica: Metrologia i processos de conformat de metals sense arrancada de borumballa.”, Colecció “Materials” de l'UJI, nº 233.
Groover, M. P. (2010). Fundamentals of Modern Manufacturing: Materials, Processes, and Systems (4th ed.). John Wiley & Sons. Capítul 19 "Deformació volumètrica".

Referències

↑ Abellán-Nebot, J. V., & Vila Pastor, C. (2023). "Deformació plàstica volumètrica: Fonaments teòrics i eixercicis resolts.". Marcombo. ISBN 978-8426735782

Este artícul conté una traducció derivada de «Forja» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.

[abellan-nebot-1] Abellán-Nebot, J. V., & Vila Pastor, C. (2023). "Deformació plàstica volumètrica: Fonaments teòrics i eixercicis resolts.". Marcombo. ISBN 978-8426735782

[1]