Modelado de metales: una guía completa de los ocho procesos clave de forja

La forja es un método utilizado para moldear metales mediante la aplicación de fuerza de compresión, lo que aumenta su resistencia, refina su estructura granular y mejora la resistencia a la fatiga para producir piezas más resistentes que las fundidas o mecanizadas. Es ideal para industrias que requieren piezas resistentes y fiables.

Clasificación de la forja por herramientas

Forja con matriz abierta

La forja en matriz abierta, también conocida como forja libre, moldea el metal caliente entre matrices planas o un martillo y un yunque. No se utilizan paredes laterales ni moldes completos, lo que permite que el metal fluya con relativa libertad al deformarse desde diferentes lados.

Ventajas

• Flujo continuo de grano: La estructura del grano se alinea con la forma de la pieza, mejorando la resistencia y la resistencia a fallas.
• Menos desperdicio: Como no se produce rebaba, se ahorran costes de materia prima, sobre todo en el caso de aleaciones costosas.
• Piezas grandes: Es adecuado para forjar formas grandes o personalizadas que no encajan en los moldes.

La forja en matriz abierta se utiliza normalmente para ejes grandes para la generación de energía, cilindros en prensas hidráulicas y herramientas y artes personalizados para trabajos de herrería.

Forja en matriz cerrada (matriz de impresión)

Este es un proceso en el que se coloca un tocho calentado entre matrices conformadas que contienen el contorno exacto de la pieza. El metal llena la cavidad de la matriz bajo presión, y el material sobrante fluye como rebaba, que posteriormente se recorta.

Recursos: Forja en matriz cerrada vs. forja en matriz abierta

Este proceso a menudo implica tres pasos:

1. Cenefa: Este paso distribuye el metal dentro del tocho para prepararlo para el molde.
2. Bloqueo: Aquí, el metal se moldea hasta tener una forma que se asemeja mucho a la pieza final.
3. Impresión final: Presiona el metal en la forma final con tolerancias estrechas.

Ventajas

• Formas cercanas a la red: Esto significa que la pieza forjada queda muy cerca de su tamaño y forma finales.
• Alta precisión: Las matrices moldeadas controlan cada detalle, por lo que las piezas salen con tolerancias ajustadas.
• Repetibilidad: Una vez colocadas las matrices, cada pieza forjada resulta prácticamente idéntica. Tanto si se fabrican 100 como 10 000 unidades, la consistencia se mantiene.
• Alta resistencia: Esto hace que el metal sea más resistente y más resistente a las grietas y al impacto.

Forja de anillos laminados

Este proceso comienza con un tocho redondo, al que se le perfora un agujero en el centro, transformándolo en un anillo grueso. Posteriormente, el anillo se calienta y se lamina entre herramientas que lo extienden. El metal se estira hacia afuera mientras el anillo se adelgaza y ensancha. La veta también fluye circularmente, lo que le otorga resistencia en todas las direcciones.

Este proceso se utiliza para fabricar piezas como cojinetes, engranajes, bridas de turbinas eólicas y componentes de aviones.

Ventajas

• Hay un flujo de grano uniforme, lo que mejora la resistencia a la fatiga.
• Proporciona una estructura casi continua, lo que reduce la necesidad de soldadura.
• Dado que el anillo está forjado a partir de una sola pieza de metal sin costuras ni soldaduras, la pieza se mantiene unida mejor bajo tensión.

Forja por categoría de temperatura

Forja en caliente

La forja en caliente implica moldear el metal por encima de su punto de recristalización, que suele estar entre 0,3 y 0,5 veces su temperatura absoluta de fusión (Tm). Esto facilita mucho el moldeo del metal, especialmente en el caso de metales difíciles de trabajar en frío.

Ventajas

• Gracias a las altas temperaturas, la resistencia del metal a la deformación es significativamente menor, lo que facilita el moldeado de piezas complejas o de gran tamaño.
• El calor y la presión pueden ayudar a cerrar pequeñas grietas internas, poros o huecos en el metal, lo que mejora la estructura y la resistencia general de la pieza.
• Debido a que el forjado en caliente hace que el metal sea más fácil de deformar, es ideal para forjar piezas muy grandes o formas con secciones gruesas.

Desventajas

• Cuando el metal se calienta en el aire, reacciona con el oxígeno y forma una capa de sarro en la superficie, que puede hacer que la pieza luzca áspera.
• Además de hacer que la superficie luzca áspera, la incrustación puede reducir la precisión de la pieza y también provocar una ligera pérdida de material durante el proceso.

Forja Caliente

Este proceso se realiza a temperaturas intermedias entre el forjado en caliente y el forjado en frío. El forjado en caliente ofrece un acabado más liso que el forjado en caliente, pero requiere más fuerza y, además, desgasta las herramientas más rápidamente. El control de la temperatura también es crucial.

El forjado en caliente permite un mejor control del tamaño y la forma que el forjado en caliente. Si bien no es tan exacto como el forjado en frío, ofrece suficiente precisión para muchas piezas.

Forja en frío

Forjado en frío Se utiliza una fuerte presión para moldear el metal a temperatura ambiente o inferior, lo cual es significativamente inferior a su temperatura de recristalización. Las técnicas comunes utilizadas en este proceso incluyen:

• Acuñación: Presiona letras, logotipos u otros detalles finos en la superficie del metal.
• Encabezado en frío: Forma cabezas en clavos, pernos y pasadores sin cortar ni soldar.
• Dibujo: Tira del metal a través de una matriz para reducir su sección transversal y producir cables o tubos largos.
• Extrusión: Fuerza el metal a pasar a través de un orificio moldeado bajo alta presión para crear varillas, barras o tubos.

Ventajas

• Este proceso ofrece un acabado superficial suave y excelente.
• Proporciona una excelente precisión dimensional y acabado superficial, aunque se debe tener en cuenta la recuperación elástica en el diseño de la matriz.
• Como no hay etapa de calentamiento, se ahorra mucha energía.

Técnicas de forja especializadas

Estampado

Estampado Es un método de martilleo o compresión que emplea matrices radiales o rotatorias que impactan rápidamente la pieza de trabajo, ya sea mientras gira o avanza. El recalcado puede ser en caliente o en frío, según el metal y la pieza. Se utiliza a menudo para ahusar, reducir o expandir los extremos de varillas o tubos.

Se utiliza principalmente en:

• casquillos de bala
• Tubos metálicos para bolígrafos
• Producción de ejes o husillos

Forja en prensa

Forja en prensa Utiliza una presión constante y lenta para dar forma al metal en lugar de golpes rápidos de martillo. Se puede realizar en caliente, tibio o frío. El movimiento lento empuja el metal profundamente en la matriz, proporcionando un relleno más completo y una superficie exterior más lisa.

Al presionar en lugar de golpear, la forja en prensa impone menores cargas de impacto en las matrices. Esto prolonga la vida útil de la herramienta y reduce los daños a la máquina.

Beneficios de la forja en prensa

• Alta precisión: La fuerza constante permite que el metal llene completamente la matriz, lo que permite un mejor control de la forma y el tamaño de la pieza.
• Flujo de grano más fuerte: La presión continua mejora la alineación del grano, lo que fortalece la pieza.
• Acabado superficial liso: La forja en prensa reduce la turbulencia en el metal. El resultado es una superficie exterior más limpia y con menos defectos.

Cogging

Cogging El estirado (también llamado estirado) es un proceso incremental que se utiliza para reducir un bloque grande de metal (lingote o tocho) a una barra o tocho más largo y delgado. Una matriz plana martilla secciones de la pieza de trabajo a medida que se mueve sistemáticamente de un lado a otro. La sección transversal se reduce y la estructura del grano se vuelve más uniforme después de cada pasada.

El dentado no crea la pieza final. En cambio, prepara el metal para otros métodos de forja, como la forja en matriz abierta o cerrada.

Roles clave

• Preformación de palanquilla: Al reducir gradualmente el tocho, el dentado ayuda a crear un bloque de arranque más uniforme. Esto proporciona un mejor control sobre la pieza final y ahorra material. También ayuda a romper la estructura gruesa de la pieza bruta.
• Refinamiento de grano: El dentado rompe los granos gruesos y cierra huecos o defectos internos. Esto da como resultado piezas más resistentes, más duraderas y con mayor resistencia al agrietamiento.

Calentamiento por inducción (para forjar palanquillas)

Calentamiento por inducción Utiliza bobinas electromagnéticas para calentar el metal sin fuego ni contacto. Las bobinas crean un campo magnético que calienta rápidamente el metal, principalmente desde la superficie hacia el interior, gracias al efecto pelicular. Esta técnica se utiliza a menudo antes de las etapas de forjado para que la pieza alcance la temperatura adecuada de forma rápida y limpia.

Ventajas

• Calentamiento rápido: El calentamiento selectivo permite que el taller de forja caliente solo la parte de la pieza que necesita moldearse. Las palanquillas pueden alcanzar la temperatura de forja en segundos o minutos, según el tamaño.
• Eficiencia energética: Dado que calienta el metal directamente, la inducción utiliza mucha menos energía que un horno.
• Escala mínima: El calentamiento por inducción mantiene la zona de calentamiento enfocada y corta. La superficie no se expone a altas temperaturas durante mucho tiempo, lo que reduce considerablemente la formación de incrustaciones.

Cómo elegir el método de forjado adecuado

La elección del mejor método de forjado depende de diferentes factores:

Tamaño y forma de la pieza

• • Utilice la forja en matriz abierta para piezas grandes o largas, como vigas o ejes. Las herramientas abiertas permiten que el metal se extienda libremente.
  • Forja en matriz cerrada para piezas pequeñas o medianas que necesitan formas exactas o detalles precisos.

Tolerancias y acabado superficial

• • El forjado en frío ofrece la mejor precisión y acabado. Ideal cuando las piezas deben ajustarse firmemente.
  • La forja en caliente da buenos resultados pero requiere herramientas y máquinas más fuertes.
  • La forja en caliente es mejor cuando la forma es más importante que el acabado.
  • La forja en prensa proporciona formas suaves con menos grietas que los golpes de martillo.

Volumen de producción

• • La forja en matriz cerrada y en frío son ideales para la producción en masa. Una vez fabricadas las herramientas, cada pieza se fabrica rápidamente y es repetible.
  • La forja en matriz abierta es más lenta, pero mejor para piezas personalizadas o de bajo volumen.
  • El prensado funciona tanto para lotes pequeños como grandes, dependiendo de la configuración.

tipo de material

• • Los metales duros requieren más calor. Utilice forja en caliente o tibia para evitar grietas.
  • Los metales blandos como el aluminio o el cobre se pueden forjar en frío, ahorrando energía.
  • Utilice calentamiento por inducción cuando se necesita un calentamiento limpio y rápido de las piezas sin un horno.

Compensaciones de costos

• • La forja en frío y con matriz cerrada necesita matrices personalizadas, que cuestan más al principio pero ahorran en tiradas grandes.
  • La forja en matriz abierta utiliza matrices planas, que son más económicas pero más lentas para piezas repetidas.
  • El prensado y el dentado utilizan herramientas básicas pero necesitan trabajadores capacitados.
  • El calentamiento por inducción cuesta más de instalar, pero ahorra energía y funciona de manera limpia.

Casos de uso de la industria

• Aeroespacial: Forja de anillos laminados y matrices cerradas para anillos de motores a reacción, trenes de aterrizaje y piezas críticas para el vuelo.
• Automotor: Forjado en frío y caliente para engranajes, ejes y piezas de transmisión donde la precisión es clave.
• Energía: Forja en matriz abierta y en anillo laminado para bujes de turbinas eólicas, bridas de gas y piezas resistentes al calor.
• Equipos pesados y minería: Forjado y dentado a presión para piezas gruesas y resistentes, como mandíbulas trituradoras, martillos y brazos.
• Médico: Forjado en frío para piezas pequeñas y precisas, como tornillos quirúrgicos y puntas de herramientas.

Conclusión

No todas las piezas forjadas se fabrican de la misma manera, ni tampoco los métodos. Un proceso adecuado implica menos desperdicio, un mejor ajuste y una mayor vida útil. Seleccionar el proceso de forjado óptimo requiere una cuidadosa consideración de los factores descritos anteriormente.