Forja en matriz cerrada: una guía completa para la fabricación de piezas de alta resistencia

 La forja en matriz cerrada ha encontrado numerosas aplicaciones en la fabricación moderna. Sus resultados se pueden observar en componentes de alta resistencia en los sectores automotriz, aeroespacial e industrial. Se coloca un tocho de metal caliente entre dos o más matrices y se moldea el metal mediante presión extrema y herramientas de precisión. En concreto, estas matrices contienen el perfil negativo del componente requerido. La fuerza o presión extrema fuerza al metal a llenar completamente la cavidad de la matriz. Como resultado, el proceso crea una pieza con mejores propiedades mecánicas.

Los metalúrgicos e ingenieros prefieren este método porque alinea la estructura interna del grano del metal. En contraste, las piezas fundidas suelen tener estructuras de grano aleatorias, mientras que el mecanizado corta a través del flujo de grano. La forja en matriz cerrada hace que el grano siga la forma de la pieza. Este flujo continuo de grano resulta en una excelente resistencia a la fatiga, y se obtienen piezas que pueden soportar altas tensiones y cargas cíclicas.

1. La mecánica de la forja en matriz cerrada

La forja en matriz cerrada aprovecha la propiedad de deformación plástica del metal. Para comenzar, se calienta una pieza metálica a una temperatura que la hace maleable. Luego, se coloca esta pieza sobre una matriz inferior fija, y una matriz superior móvil desciende para golpear y prensar el metal. La fuerza hace que el material fluya hasta alcanzar la forma deseada.

Este proceso difiere de forja en matriz abierta, que utiliza matrices planas o simples. Normalmente, requiere que el operador manipule manualmente la pieza. Sin embargo, el forjado en matriz cerrada encierra el metal y las matrices restringen el flujo de material en todas las direcciones, excepto donde lo permite el perfil negativo de la matriz. Esta restricción garantiza que el metal llene cada detalle de la cavidad de la matriz.

La presión juega un papel importante. El equipo de prensado debe ejercer suficiente fuerza para superar el límite elástico del material. Sin embargo, a medida que el metal se enfría, su límite elástico aumenta. La maquinaria debe ser capaz de mantener la presión sobre el metal en proceso de enfriamiento para completar la forma. Con este método se pueden lograr formas casi finales, lo que reduce la necesidad de un mecanizado posterior exhaustivo.

2. El papel de la rebaba en la forja

La rebaba es el exceso de material que se filtra entre las dos mitades del troquel. Puede que se considere un desperdicio, pero los forjadores experimentados saben que cumple una función crucial. Llamamos rebaba al espacio entre los troqueles. A medida que el metal fluye hacia afuera, entra en este estrecho canal.

El metal se enfría rápidamente en la zona de rebaba, lo que aumenta la resistencia del material en esa zona. Este anillo de metal endurecido crea una barrera de presión e impide que fluya más metal, lo que genera una acumulación de presión dentro de la cavidad de la matriz. Este aumento de presión obliga al metal caliente restante a rellenar espacios difíciles y esquinas afiladas.

Sin rebabas, se puede terminar llenando la matriz de forma incompleta, lo que resulta en una pieza sin definición. Una vez finalizada la carrera de forjado, se eliminan las rebabas. Posteriormente, un proceso de recorte elimina este material sobrante. La cantidad de rebabas depende del volumen de la pieza utilizada, y los cálculos precisos del volumen ayudan a minimizar el desperdicio.

3. Proceso de fabricación paso a paso

Un buen proceso de forja requiere una secuencia estricta. Es necesario seguir estos pasos para garantizar la calidad y consistencia de la pieza resultante.

3.1. Preparación de la pieza

Primero, se inicia el proceso con una barra o tocho de metal, y las sierras o cizallas ayudan a cortar el tocho con un peso y longitud precisos. El volumen de la pieza inicial es igual al volumen de la pieza terminada, incluyendo el exceso de rebaba. Un corte preciso ayuda a evitar el desperdicio de material y daños en la matriz.

3.2. Calefacción

Los hornos aumentan la temperatura del tocho, y la temperatura objetivo depende de la aleación. El acero requiere temperaturas de entre 1100 y 1250 grados Celsius, mientras que el aluminio requiere rangos más bajos. Actualmente, los sistemas de calentamiento por inducción proporcionan un calor uniforme con mayor rapidez, pero los hornos de gas ofrecen una alternativa para lotes más grandes. Cuanto más uniforme sea el calentamiento, más consistente será la deformación plástica.

3.3. Descalcificación

El acero caliente reacciona con el oxígeno y forma una capa de óxido de hierro en la superficie. Es necesario eliminar esta capa antes de forjar. Si la capa penetra en la matriz, destruye el acabado superficial. Hoy en día, se utilizan dispositivos mecánicos especializados o chorros de agua a alta presión para eliminar la capa.

3.4. Bloqueo

Las formas complejas suelen requerir más de un golpe. El primer golpe se realiza en una matriz bloqueadora, que distribuye el metal uniformemente en la forma final y prepara el material para la cavidad de acabado. El bloqueo prolonga la vida útil de la matriz de acabado.

3.5. Forjado de acabado

A continuación, se transfiere la pieza bruta a la matriz de acabado y el martillo o la prensa dan el golpe final. El metal llena la cavidad por completo y el exceso de material fluye hacia el canal de rebaba. Ahora la pieza alcanza sus dimensiones finales.

3.6. Recorte

Ahora, la pieza sale de la forja con la rebaba adherida. Una prensa de corte la separa de la pieza principal. La clave es realizar esto mientras la pieza aún está caliente o después de que alcance la temperatura ambiente. Después, la rebaba se recicla.

3.7. Enfriamiento

De igual forma, el enfriamiento controlado previene la tensión interna. Las piezas se colocan en contenedores o transportadores. Algunas aleaciones requieren un enfriamiento lento en fosos aislados, mientras que otras requieren enfriamiento por aire. Y lo más importante, la velocidad de enfriamiento afecta la dureza y la microestructura.

3.8. Tratamiento térmico

La forja introduce tensión y altera la estructura del grano. El tratamiento térmico ayuda a restaurar las propiedades deseadas, mientras que la normalización refina el grano. El temple y el revenido, por su parte, aumentan la dureza y la resistencia. El tratamiento debe elegirse en función de los requisitos de la aplicación.

3.9. Acabado de superficies

Finalmente, el último paso consiste en limpiar la superficie. El granallado elimina las incrustaciones y la decoloración restantes. Esto crea un acabado mate uniforme. Inspeccione las piezas para detectar defectos antes del envío.

4. Equipos y maquinaria de forja

Usted selecciona el equipo según el tamaño de la pieza, el material y el volumen de producción.

4.1. Martillos de caída

Los martillos de caída utilizan la gravedad, donde un pesado ariete se eleva y cae sobre la pieza de trabajo. La energía de la caída depende del peso del ariete y de la altura de caída. Los martillos ayudan a generar una alta energía de impacto. Este impacto primero deforma la superficie, mientras que el centro de la pieza se deforma posteriormente. Se pueden usar martillos para piezas pequeñas y medianas. Si bien ofrecen versatilidad, también generan ruido y vibración considerables.

4.2. Martillos eléctricos

Del mismo modo, en los martillos mecánicos, el vapor o el aire comprimido aceleran el pistón para aumentar la energía de impacto. Se puede controlar la fuerza de cada golpe. Estas máquinas son ideales para producciones de alto volumen. Ofrecen tiempos de ciclo más rápidos que los martillos de gravedad.

4.3. Prensas mecánicas

En las prensas mecánicas se utiliza un mecanismo de volante y manivela. El pistón se mueve a una velocidad y recorrido fijos. La prensa aplica la fuerza máxima en la parte inferior del recorrido. Las prensas mecánicas se utilizan para la forja de precisión. Ofrecen altas tasas de producción y gran potencial de automatización. La acción de compresión deforma simultáneamente toda la sección transversal de la pieza.

4.4. Prensas hidráulicas

La presión del fluido impulsa las prensas hidráulicas. Estas máquinas proporcionan una fuerza constante durante toda la carrera. Se puede controlar la velocidad y la presión. Las prensas hidráulicas son eficaces para forjar piezas grandes. Crean impresiones profundas, pero el tiempo de ciclo es más lento que el de las prensas mecánicas. Sin embargo, su versatilidad justifica la compensación de velocidad.

4.5. Prensas de tornillo

Aquí, un gran tornillo acciona el ariete. El tornillo convierte la energía rotacional en fuerza lineal. Las prensas de tornillo ofrecen un equilibrio entre los martillos y las prensas hidráulicas. Proporcionan alta energía con velocidad controlada. Son adecuadas para forjar álabes de turbinas e implantes médicos.

5. Materiales de herramientas y matrices

La vida útil del molde determina la viabilidad económica de este proceso. Los moldes se enfrentan a choques térmicos y mecánicos extremos. Por lo tanto, siempre se buscan materiales capaces de soportar estas condiciones.

5.1. Aceros para herramientas

El acero para herramientas de trabajo en caliente H13 es el estándar de la industria. Contiene cromo, molibdeno y vanadio. Esta aleación resiste bien la fatiga térmica y el agrietamiento, y ayuda a mantener la dureza a altas temperaturas. Las matrices se templan y revenen según valores Rockwell C específicos.

5.2. Fabricación de bloques de matriz

Las cavidades de la matriz se graban mediante fresado CNC o electroerosión (EDM). En el fresado CNC, el mecanizado de alta velocidad corta el acero endurecido, mientras que en la EDM se utilizan chispas para erosionar el metal. Posteriormente, se pulen las superficies de la cavidad para facilitar el flujo del metal y la expulsión de la pieza.

5.3. Desgaste y lubricación

Asimismo, la fricción desgasta las superficies de la matriz. Los lubricantes reducen la fricción y protegen la matriz. Por ejemplo, se aplican lubricantes a base de grafito sobre las matrices entre ciclos. El lubricante también actúa como barrera térmica y evita que la matriz se sobrecaliente. Una lubricación adecuada prolonga considerablemente la vida útil de la matriz.

5.4. Características del diseño de la matriz

Los diseñadores incluyen ángulos de desmoldeo en forma de un pequeño cono en las paredes verticales de la cavidad de la matriz. Esto permite extraer la pieza de la matriz. Las paredes verticales sin desmoldeo hacen que la pieza se adhiera. Los ángulos de desmoldeo estándar varían de 3 a 7 grados. También se incluyen filetes y radios de esquina. Las esquinas agudas generan concentraciones de tensión, lo que provoca grietas en la matriz. Los radios facilitan el flujo del metal en las esquinas.

6. Materiales adecuados para la forja

Se pueden utilizar casi todos los metales en el proceso de forja. Sin embargo, el material se selecciona en función de las propiedades mecánicas del componente requerido.

6.1. Aceros al carbono

La industria de la forja utiliza mucho aceros al carbono, donde grados como el AISI 1045 y A105 ofrecen un equilibrio entre resistencia y maquinabilidad. Se utilizan en la industria automotriz. bielas, cigüeñales y engranajes. Responden bien al tratamiento térmico.

6.2. Aceros aleados

La adición de elementos como cromo, níquel y molibdeno mejora las propiedades. Los aceros aleados como el 4140 proporcionan alta tenacidad y resistencia al desgaste. Estos materiales se encuentran en maquinaria pesada y componentes estructurales. Soportan cargas mayores que los aceros al carbono.

6.3. Aceros inoxidables

El acero inoxidable es otro material común debido a su resistencia a la corrosión. Grados como el 304 y el 316 ofrecen buena resistencia a la oxidación y a los productos químicos. Sin embargo, forjar acero inoxidable requiere mayor fuerza y se enfría más rápido que el acero al carbono. Sus usos comunes incluyen válvulas., guarniciones, y hardware marino.

6.4. Aleaciones de aluminio

El aluminio ofrece una alta relación resistencia-peso. Las industrias aeroespacial y automotriz suelen requerir piezas forjadas de aluminio. Aleaciones como 6061 y 7075 son comunes. Forjar aluminio requiere un control preciso de la temperatura. El sobrecalentamiento provoca el desmoronamiento del material, mientras que el subcalentamiento provoca grietas.

6.5. Aleaciones de titanio

El titanio combina ligereza con una resistencia extrema y resistencia al calor. Los motores y fuselajes aeroespaciales utilizan piezas forjadas de titanio. Este material es difícil de forjar debido a su estrecho margen de temperatura. Requiere lubricantes y recubrimientos especializados. El costo es elevado, pero su rendimiento justifica la inversión.

6.6. Cobre y latón

Asimismo, la conductividad eléctrica y la resistencia a la corrosión hacen que las aleaciones de cobre sean muy atractivas. Se puede forjar latón para accesorios y válvulas de plomería. Estos materiales fluyen con facilidad, por lo que causan menos desgaste en las matrices en comparación con el acero.

7. Directrices de diseño y tolerancias

Se deben considerar diferentes factores al diseñar para forja y mecanizado. En ambos casos, se deben considerar las limitaciones de fabricación.

7.1. Colocación de la línea de partición

La línea de separación es donde se tocan las dos mitades del troquel. Idealmente, se coloca a lo largo de una superficie plana siempre que sea posible para simplificar la construcción del troquel, ya que las líneas de separación irregulares aumentan el costo. La línea se coloca para equilibrar las fuerzas sobre los troqueles.

7.2. Costillas y almas

Las costillas son proyecciones verticales delgadas, y las almas son secciones delgadas que conectan áreas más gruesas. Las costillas profundas son difíciles de rellenar, pero las almas delgadas se enfrían rápidamente. Debe diseñar las costillas con ángulos de desmoldeo generosos. Mantenga el espesor del alma dentro de los límites prácticos para evitar defectos de enfriamiento.

7.3. Tolerancias de mecanizado

Las piezas forjadas no suelen obtenerse como producto terminado en un solo paso. Otros pasos incluyen la eliminación de rebabas y el acabado superficial. Para ello, se añade material a las superficies que requieren mecanizado. Este material adicional garantiza la limpieza de la superficie hasta su dimensión final. Los márgenes de mecanizado estándar varían de 1,5 a 3 milímetros, dependiendo de las dimensiones de la pieza.

7.4. Tolerancias

Las tolerancias de forja deben tener en cuenta el desgaste de la matriz, el desajuste y la expansión térmica. Normas internacionales como la ISO 2768 y otras normas de forja especifican estos valores. Las tolerancias más estrechas incrementan el coste, y es necesario equilibrar la necesidad de precisión con el coste de producción.

8. Defectos comunes y control de calidad

Los defectos comprometen la integridad estructural del componente. Es fundamental identificarlos y prevenirlos a toda costa.

8.1. Vueltas y pliegues

Un solapamiento se produce cuando el metal se pliega sobre sí mismo y las superficies se oxidan y no se adhieren. Esto crea un defecto similar a una grieta. Un diseño deficiente de la matriz o una distribución inadecuada del material causan solapamientos. Para detectarlos, se requiere una inspección por partículas magnéticas.

8.2. Cierres fríos

Dos corrientes de metal se encuentran, pero no se fusionan. Esto ocurre cuando el metal está demasiado frío o la presión es insuficiente. En consecuencia, los cierres en frío crean puntos débiles. Mantener la temperatura adecuada de la palanquilla ayuda a prevenir este defecto.

8.3. Relleno insuficiente

El metal no llena completamente los espacios dentro de la matriz, lo que resulta en la falta de características o esquinas redondeadas. Por otro lado, un volumen insuficiente de la palanquilla o gases atrapados provocan un llenado insuficiente. Esto se puede solucionar aumentando el tamaño de la palanquilla o añadiendo orificios de ventilación.

8.4. Pozos de escala

La cascarilla incrustada en la superficie crea picaduras. Estas picaduras permanecen después del mecanizado si son lo suficientemente profundas. Las técnicas adecuadas de descascarillado alivian este problema.

8.5. Desplazamiento del troquel

La desalineación entre las dos mitades del troquel provoca su desplazamiento. Las revisiones periódicas del equipo son clave para detectar y, por lo tanto, corregir el desplazamiento del troquel.

8.6. Métodos de inspección

La inspección visual detecta defectos superficiales evidentes. La inspección dimensional garantiza que la pieza cumpla con las especificaciones de impresión. Los ensayos no destructivos (END), como los ultrasónicos, detectan huecos internos, y la inspección por partículas magnéticas revela grietas superficiales.

9. Consideraciones económicas

La forja ofrece beneficios económicos para la producción en masa.

9.1. Costos de herramientas

Los juegos de matrices suponen una importante inversión inicial. Se paga por el acero y el tiempo de mecanizado. Por lo tanto, este coste encarece la forja para series pequeñas. Se necesita una cantidad mínima para recuperar el coste de las herramientas.

9.2. Costos unitarios

El aprovechamiento del material en la forja es alto, ya que se desperdicia menos material que en el mecanizado a partir de un bloque. El tiempo de ciclo es rápido. En conjunto, estos factores reducen el coste unitario. A medida que aumenta el volumen, el ahorro compensa la inversión inicial en herramientas.

9.3. Ahorro en mecanizado

Las piezas forjadas se asemejan a la forma final. Esto reduce el tiempo de mecanizado. Se elimina menos material, lo que ahorra mano de obra y desgaste de herramientas. El coste total de la pieza terminada se reduce considerablemente.

9.4. Plazos de entrega

La fabricación de matrices lleva tiempo, y es necesario planificar este plazo. Una vez listas las matrices, la producción es rápida. Es necesario contar con matrices de repuesto para evitar tiempos de inactividad durante las reparaciones.

10. Comparación de métodos de forjado

Comprender las alternativas le ayudará a seleccionar el método adecuado para su componente.

10.1. Matriz cerrada vs. matriz abierta

La forja en matriz abierta permite procesar componentes masivos. Da forma al metal de forma tosca, lo que permite su uso en ejes, anillos y bloques de toneladas. Por otro lado, la forja en matriz cerrada permite procesar piezas más pequeñas y complejas. Proporciona mayor precisión dimensional. Se recomienda elegir la matriz abierta para volúmenes pequeños y grandes, mientras que la matriz cerrada para volúmenes altos y mayor precisión.

10.2. Troquelado cerrado vs. fundición

Existen muchos tipos de procesos de fundición, como la fundición en arena, la fundición a la cera perdida y la fundición a presión, pero sus principios fundamentales son los mismos: verter metal fundido en un molde, lo que ayuda a crear cavidades internas complejas y formas imposibles de forjar. Sin embargo, las piezas fundidas tienen menor resistencia y presentan porosidad, mientras que la forja produce piezas sólidas y densas. Si la resistencia es la prioridad, se debe optar por la forja. Si la complejidad geométrica es importante, se debe optar por la fundición.

10.3. Troquel cerrado vs. mecanizado

El mecanizado consiste en cortar una pieza a partir de un bloque sólido. Ofrece la máxima precisión y no requiere herramientas. Sin embargo, altera el flujo de grano y desperdicia mucho material. Por lo tanto, el mecanizado es adecuado para prototipos y volúmenes reducidos, mientras que la forja es adecuada para la fabricación de componentes de alta resistencia.

10.4 Forja en caliente vs. forja en frío

La forja en caliente da forma al metal a altas temperaturas, haciendo más fácil la formación de grandes, Piezas complejas con menos fuerza de presión. Sin embargo, El proceso de enfriamiento provoca contracción térmica y formación de incrustaciones en la superficie., lo que reduce la precisión. Por el contrario, El forjado en frío se produce a temperatura ambiente, que aumenta la resistencia del material a través del endurecimiento por deformación y proporciona una excelente precisión dimensional. Debes elegir la forja en caliente para piezas masivas, componentes intrincados donde se necesita alta ductilidad, Si bien el forjado en frío es ideal para grandes volúmenes, Piezas precisas que requieren poco o ningún mecanizado secundario.

11. Tendencias futuras en la forja

La industria de la forja está evolucionando y el papel de la automatización tecnología En aumento. Los robots manipulan palanquillas calientes, lo que mejora la seguridad y la consistencia. El software de simulación reduce el ensayo y error al permitir simular el flujo del metal en una computadora. Esto predice defectos incluso antes de cortar el acero. La forja de precisión busca eliminar por completo el mecanizado. La forja de forma neta produce piezas listas para usar.

Al mismo tiempo, las preocupaciones medioambientales están presentes y son el principal motor del cambio. El calentamiento por inducción utiliza la energía de forma eficiente, mientras que las prensas eléctricas reducen el consumo de aceite. La industria busca operar de forma más limpia y eficiente.

12. Conclusión

En conclusión, comprender la forja en matriz cerrada le ayudará a tomar mejores decisiones de fabricación. Equilibrará coste, calidad y rendimiento. Este proceso sigue siendo el estándar para la producción de componentes estructurales. Ya sea en un motor de automóvil o en el ala de un avión, las piezas forjadas ofrecen la fiabilidad necesaria.

Como proveedor que ofrece soluciones para la fabricación de piezas metálicas, desde fundición y forja hasta acabado CNC, HDC se complace en ayudarle en su proyecto de forja con la selección de materiales, la optimización del diseño y la fabricación de moldes. No dude en contactarnos por correo electrónico o teléfono.