Proyecto de Forja Javier Mantilla Megret

 

Universi dad Tecno Tecnoló lógic gica a de La Habana Habana (UTLH)-CUJAE Facul Fa cul tad de d e Ing Ingeniería eniería Mecánica Mecánica Unidad Docente Metalúrgica-U Metalúrg ica-UDM DM

Conformación de metales Proyecto de curso

Diseño de la tecnología de

 

forja por estiramiento para un eje.  Au  A u t o r : J avi av i er Man Mantt i l l a Meg Megrr et Tutor: Tuto r: Ing Ing.. Héct ctor or Ca Cabr brera era

La Habana Hab ana 2020

 

  Contenido

Introducción. ....................................................................................................... 3  Capítulo 1. Generalidades sobre el proceso de forja. ........................................ 4  1.1 

Estirado y ensanchado. ......................................................................... 6 

Capítulo 2.Cálculos tecnológicos ....................................................................... 8  2.1.1- Determinación del grado de deformación ............ ......................... .......................... .................. ..... 12  2.1.2 Cálculo de la sección transversal después de la primera reducción (F 1).   ...................................................................................................................... 12  2.1.3 Cálculo del coeficiente de transición ............ ......................... ........................... ........................... ............. 12  2.1.4 Cálculo del estiramiento del semiproducto después de la primera reducción (L1) ............................................................................................... 12  2.1.5- Determinación del avance(la) .............................................................. 12  2.1.6 Cálculo del número de golpes ............................................................. 12  2.2 Determinación de los parámetros de martillo ............................................. 13  2.2.1 Trabajo de deformación en el último golpe ............. .......................... .......................... ................ ... 13  2.2.3 Determinación de V ............................................................................. 14  2.2.4. Peso de las partes móviles que se requiere ............ .......................... .......................... .............. 14  2.3.1 El sobrecalentamiento y quemadura del acero ............ ......................... ........................ ........... 15  Capítulo 3. Impacto ambiental en los talleres de forja ........................... .............. ........................ ........... 17  Conclusiones. ................................................................................................... 19  Bibliografía ....................................................................................................... 19 

 

Introducción. La forja, al igual que la laminación y la la extrusión,  extrusión, es  es un un proceso  proceso de fabricación de objetos conformado por   deformación deformación plástica que se realiza en caliente y en el que la deformación del material se produce por la aplicación de fuerzas de compresión.   compresión. Este proceso 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, presión, de  de forma continua utilizando prensas, prensas,   o por impacto, de modo intermitente utilizando martillos pilones. Hay que destacar que es un proceso de conformado de de metales  metales en el que no se produce arranque de viruta, viruta,   con lo que se produce un importante ahorro de material respecto a otros procesos, como por ejemplo el mecanizado. el mecanizado.   En la época contemporánea la forja ocupa un lugar importante en la producción de semiproductos para la fabricación de piezas maquinadas y productos terminados. Esto se debe a las grandes ventajas que brinda, en comparación con otros procesos productivos. Una de las grandes ventajas de la forja es el hecho de que aparte de darle al metal la forma deseada y de mejorar sus propiedades mecánicas, durante el proceso ocurre la eliminación de defectos que por otros procesos de conformación a presión no se hace posible. Solo por forja se fabrican grandes semiproductos para rotores y discos de turbinas, calderas de elevada presión, cañones, columnas de prensas hidráulicas, cilindros de laminación y otros productos de destinación especial.

 

Capítulo Ca pítulo 1. G Genera eneralid lid ades sobre el pr proceso oceso de fo rja. La forja es uno de los procesos de conformación de metales por presión que emplea una herramienta universal y un equipo de acción rectilínea alternativa periódica. Sus operaciones se acompañan por lo general con desplazamientos longitudinales y giros del semiproducto alrededor del eje. La gran variedad de operaciones de forja permite obtener productos de diferentes formas, cuya nomenclatura alcanza varios cientos. La forja no se debe emplear para la producción masiva o de grandes series de piezas relativamente pequeñas, sin embargo, para la producción individual y de pequeñas series de piezas está económica y técnicamente fundamentada. También resulta racional su uso en grandes series de productos voluminosos, por ejemplo, de ejes de ferrocarril, cigüeñales, etc. Las piezas pequeñas se forjan fundamentalmente en martillos neumáticos con peso de sus partes móviles desde 50 kg hasta 1 ton. En ellos se fabrican piezas perfiladas con masa de 0.3 - 20 kg, piezas sencillas tipo ejes rectos con masa máxima de 7.5 – 7.5 – 250  250 kg. En la fabricación de piezas muy delgadas que se enfrían rápidamente (filos de cuchillas, etc.) a veces se emplean martillos de mayor velocidad que los neumáticos como los martillos de muelles y de palancas con peso de sus partes móviles desde 10 kg hasta varias decenas de kilogramos. Las piezas de peso mediano se forjan en martillos de vapor aire de doble acción con peso de las partes móviles de 1  – 3  8  – 3 ton, y con menos frecuencia de 5  –  – 8 ton. La masa de media de las piezas perfiladas en este caso es de 20 -30 kg, la masa máxima de las piezas sencillas tipo ejes rectos es de 250 – 250  – 2500  2500 kg. Las piezas pesadas se forjan en prensas hidráulicas de forja con fuerza hasta 150MN (15000 tf) y más. El proceso de forja se compone de varias etapas:   Calentamiento del metal.

•

  Realización de las op operaciones eraciones de forja (co (como mo no norma rma en un mis mismo mo martillo

•

o una misma prensa).   Tratamiento térmico primario (recocido, normalizado, etc.).

•

  Control de la calidad.

•

 

Para las piezas sencillas, es decir de forma sencilla las operaciones de forja no son grandes, y el proceso se desarrolla después de un calentamiento del semiproducto. Las piezas más complejas exigen de un gran número de operaciones, algunas de las cuales pueden repetirse varias veces. En estos casos se hace necesario realizar calentamientos intermedios. Las operaciones de forja se pueden dividir en preliminares, principales, auxiliares y de acabado. Operaciones preliminares: 1. Transformación del lingote en semiproducto (e (eliminación liminación de la la conicidad del lingote, corte y eliminación de los extremos). 2. Corte de lingotes o barras en d diferentes iferentes partes con ayuda de herramientas denominadas tajaderas, a esta operación se le llama tajado. Operaciones principales 1. Recalcado: disminución de la altura y aumento de las dimensiones transversales. El recalcado puede ser: completo, central y de cabeza. 2. Estirado: aumento de la longitud del semiproducto o de una parte de él mediante la disminución de su sección. 3. Punzonado: formación de agujeros e en n el s semiproducto. emiproducto. 4. Expansionado: aumento de los diámetros interior y ex exterior terior de un aro mediante el golpeo con el dado superior sobre el aro montado en un mandril. 5. Estirado de

semiproductos huecos en

un mandril:

el

semiproducto montado en un mandril se estira mediante el golpeo con los dos dados. 6. Ensanchado:

aumento

del

ancho

de

una

parte

del

semiproducto, se realiza con una herramienta denominada degüello y se comienza a realizar desde el centro hacia afuera. 7. Doblado: formación de ángulos entre diferentes partes del semiproducto o darle cierta curvatura. 8. Otras operaciones.

 

 

Operaciones auxiliares 1. Entallado: formación de una e entalla ntalla o ranu ranura ra a una profundidad definida con el fin de obtener cuellos o salientes. 2. Eliminación de cantos vivos: se realiza para evitar la influencia negativa del enfriamiento rápido de los cantos vivos. Se emplea fundamentalmente en la forja de aceros altamente aleados. 3. Torcido: giro de una parte del semiproducto o la pieza alrededor del eje longitudinal. 4. Soldadura: unión de diferentes partes bajo la acción de una una fuerza o presión externa. 5. Alisado o asentado: eliminación de irregularidades en las superficies planas. Su objetivo es garantizar la planitud de la superficie. 6. Rectificado: 7. Eliminación de curvaturas no contempladas en la pieza forjada.

En este trabajo el proceso principal con el que se va a trabajar es el estirado para conformar los ejes de acero, el cual es el objetivo final de este proyecto. A continuación, se describirá la operación. 1.1 1.1 Estirado y ensanchado. Es una operación del forjado durante la cual la sección transversal de un pedazo de material se reduce y su longitud se aumenta. Durante la operación de estirado, la fibra del metal se alarga más o menos uniformemente a través de toda su sección transversal. Prácticamente la operación de estirado consiste en golpear un pedazo de material con el dado superior después que este ha sido sacado de la fragua u horno y colocado sobre el dado inferior. El material adelgazará en el lugar donde este se golpea, pero al mismo tiempo se alargará y ensanchará. Entonces, se voltea 90 grados (colocado sobre su borde) y su porción estirada es martillada del mismo modo, reduciendo así su ancho y aumentando su longitud. Después de cada golpe la pieza debe ser volteada 90 grados y movida

 

constantemente atrás y adelante, de este modo un pedazo de metal puede ser estirado a cualquier longitud y sección transversal requerida. Si es necesario aumentar la longitud y ancho de una pieza, esta debe ser colocada sobre el yunque y forjada con un martillo o mandarria; si se va a alargar solamente, se debe golpear la pieza con un degüello y después alisarla con un martillo o mandarria.

 

Capítulo 2.Cálculos tecnológicos

1-En la tabla 1 (Forma y proporciones en forja libre con martillos) de la Norma Cubana 09-90, se determina a cuál tipología de pieza se corresponde y se comprueban las proporciones forjables. En este caso para que la pieza sea forjable se deben cumplir las siguientes condiciones: I0 ˃0,3D h ˃5mm Comprobando las condiciones se tiene: I0 = 40 mm ˃ 0,3D = 0,3 x 110 1 10 mm = 33mm 40mm ˃ 33mm  33mm 

ℎ  −     10

 

5mm ˃ 10mm No se cumple la última condición, respecto a la dimensión h. Por lo que el semiproducto forjado quedará solo para el largo, los diferentes diámetros serán obtenidos por maquinado.

 

  2-Partiendo del dibujo de la pieza maquinada (fig. 1), por la Norma Cubana 0990, se determinan las sobremedidas y desviaciones para cada una de las dimensiones nominales. Los valores obtenidos se les suman a las dimensiones nominales de la pieza maquinada. D= 110 + 5= 115mm L= 140 + 10 = 150 mm

Fig. 2. Dibujo de la pieza forjada 4-Con las dimensiones de la pieza forjada se procede al cálculo de las dimensiones del semiproducto. Para esto se siguen los siguientes pasos:

 

Se determina el volumen de la pieza forjada: Vpf =

  ∗   ∗* 150 = 1298852.21mm     3

Donde: Vpf  –Volumen  –Volumen de la pieza forjada.   Se determina el volumen de las pérdidas por oxidación durante el calentamiento: Vpox =

(

2 ÷ 2.5 % ) Vpf  

 

Tomando un 2 % de pérdida por oxidación, se obtiene: VOX = 0.02 x 1298852.21 = 25997 mm 3 Se determina el volumen de pérdidas producto del corte en los laterales. VPc = 0.23 x d VPc = 0.23 x 105 mm = 24.15mm 3 x 2= 48.3mm3 Este valor de las perdidas por corte se deberá multiplicar por dos, ya que la pieza se seccionará en los dos laterales. Se determina el volumen del semiproducto Vsp = Vpf  +  + Vpox + Vpc Donde:  Vsp -- Volumen del semiproducto. Vpf  - -- Volumen de la pieza forjada. Vpox -- Volumen por oxidación. VPC – Volumen  – Volumen por corte. Vsp = 1298852 + 25997 + 48 = 1324897 mm 3 Se determinan la longitud y el diámetro del semiproducto D = D x 1.3 = 105 x 1.3 = 136.5 mm Para este caso se toma un diámetro estandarizado igual a 140 mm.

 

Teniendo el diámetro y el volumen del semiproducto se puede calcular el largo. VSP = ASP x LSP 

∗    ∗= 15393 mm       = 86 mm  =     2

 ASP = LSP

Para este caso se toma un largo estandarizado igual a 90 mm

Fig. 3. Semiproducto que va ser forjado para obtener las dimensiones necesarias. 2.1- Metodología del cálculo para realizar el estiramiento Cálculo del estiramiento d0=140 mm L0= 90 mm

df = 105 mm Lf =150 =150 mm

Donde: d0 y L0: Son el diámetro y largo inicial del semiproducto respectivamente. df y Lf : diámetro y largo finales respectivamente de la pieza forjada.

 

2.1. 2.1.11- D Determinación eterminación del gr grado ado de deform ación

  −  ×100

 

Dónde: d1: diámetro después de la primera reducción. d0: diámetro inicial del semiproducto.

  −    × 100

  = 25 

2.1.2 Cálculo de la sección transversal después de la primera reducción (F1).

  •               8659  2.1. 2.1.3 3C Cálculo álculo d el coefici ente de transi ció n

       1.78 =

 

2.1.4 Cálculo del estiramiento del semiproducto después de la primera reducción (L 1) L1 = Y x L0 = 1.78 x90 =160.2mm 2.1.5- Determinación del avance(l a)

   (0(0.5  1) 

 

La relación la/d0 está entre valores que van desde 0.5 a 1.En este caso se tomó t omó

como valor la/d0=0.6. la= 0.6 x d 0 = 0,6 x 140mm = 84mm 2.1. 2.1.6 6 Cá Cálcul lcul o del nú mero de go lpes

   1.1  

n= =

De los resultados obtenidos se puede observar que el semiproducto logro alcanzar el diámetro y el largo requerido de la pieza forjada.

 

2.2 2.2 D Determinación eterminación d e los paráme parámetro tro s de ma marti rti llo Para determinar los parámetros del martillo se parte de los datos que se encuentran en la tabla #1 Parámetros Iniciales

Parámetros Finales

dsp=

dpf =

d0=140

mm

d1=

105 mm

Temperatura 0 f0 T Tf1=1200 =13000C C

Donde: Tf0: Temperatura inicial del semiproducto. Tf1: Temperatura final de forjado. 2.2. 2.2.1 1T Trabajo rabajo de deformaci ón en el últ último imo g olpe W1 = KW1 x V x ξ1 W1 = 10 x 572555 x 0.25 = 1431387 Kg / mm 3  Dónde: Kw1: tensión de conformación V: Volumen ξ 1: grado de deformación Quedando el trabajo igual a:  

= [1+ [1 + 16 ℎ  13 ℎ]  1 105 1 105    [1+ [1 + 6  105  3  105]

 

KW = 10 Kg / mm 2 = 100 MPa = 100 MN/ m 2  Donde: Kf  =  = k x ξb  Kf  =  = 2 x 6 kg/ mm 2  Kf  =  = 12kg /mm2 = 120 MPa = 120 MN/m 2 

 

Donde k=2-2,5(Martillos) ξb =6kg/mm2 (para acero aleado 2.2.3 2.2 .3 D Determi etermi naci nación ón d de eV

   •4  • ℎ     0. 0 9   4   •0.09  

 

V= 0.000572555261 0.00057255526111m 11m3 = 572555 mm 3

   

 

Donde: ηg: Eficiencia del martillo, que por lo general es de 80%.

   .   1789233.75

 Kg/mm = 1789.233 Kg/ m

2.2. 2.2.4. 4. P Peso eso de las p artes móvi les qu e se requiere Eg = 3.5 x G Donde: G: Peso de las partes móviles. Por lo que:

G  3.5  1789.3.5233   512 

 

El peso del martillo ideal sería de 0.512 toneladas 2.3 2.3 Tiempo de c alentamiento d e la pieza Por duración del calentamiento entendemos, el tiempo necesario para el calentamiento uniforme de un lingote o pieza de material a una temperatura definida. Hay muchos métodos para determinar el tiempo de calentamiento del acero. La fórmula más simple y que da como resultado los valores cercanos más próximos a los reales es la propuesta por el académico N. N. Dobrokhotov,

 

especialmente para determinar la duración del calentamiento de lingotes fríos o piezas de material hasta 1 200 °C.  Z 

 

=

 KD

 D

, horas.

Donde: α = factor que depende de la posición del material en el horno. Z = tiempo de calentamiento, en horas. D = diámetro o longitud de los lados opuestos del cuadrado de los lingotes o material (m). K = factor, igual a 10 para el acero al carbono con un contenido hasta 0.4 % de carbono, y 20, para acero de aleación. Para una solo pieza en el horno:

  1 • 20 • 0.09√ 0.0.09   0.54ℎ  33

 

 

Para varias piezas en el horno colocadas a un diámetro de distancia entre ellas:

  1.4 • 20 • 0.09√ 0.0.09   0.756ℎ  46

 

 

2.3. 2.3.1 1 El sobr ecale ecalentamiento ntamiento y quemadur quemadura a del acero Si calentamos acero sobre el punto crítico más alto A

c3,

y entonces se continúa

elevando la temperatura, podemos observar un crecimiento del tamaño de sus granos, si lo examinamos bajo un microscopio, mientras más alta la temperatura más energética será el crecimiento de los granos, y estos serán más gruesos, cuando más dure el proceso de exposición del acero a una temperatura dada. El acero

que

posee

granos

excesivamente

gruesos

es

llamado

acero

sobrecalentado. Cuando es forjado, el acero sobrecalentado se desgarrará y rajará, especialmente en las esquinas de un lingote o pieza de material, su fractura exhibirá una estructura considerablemente gruesa, la cual puede verse a simple vista.  El sobrecalentamiento del acero depende de dos factores:

 

  La Temperatura 

•

  La duración del calentamiento del acero  

•

De esta manera, el acero puede ser sobrecalentado a cualquier temperatura sobre el punto crítico más alto A

c3.

El grado de sobrecalentamiento a cualquier

temperatura dada depende del tiempo que el acero es mantenido a esta temperatura. Si una pieza de acero calentado se deja permanecer por un tiempo considerable en el horno a una alta temperatura, la misma se quemará. La quemadura del acero es debido al oxígeno de los gases del horno, que penetra de la l a superficie del acero a su interior, la oxidación de los límites del grano y la fundición de las sustancias formadas entre los granos gruesos. Como resultado se forman capas finas entre los granos del acero, el contacto entre los granos se rompe y el acero se vuelve débil, mientras que aparecen grandes rajaduras en la superficie de la pieza, que se rompe en pedazos. Para evitar que el acero se queme se debe observar:   Que el combustible se quema c con on el menor c coeficiente oeficiente d de e ex exceso ceso de aire,

•

de manera que asegure la ausencia de oxígeno libre en los gases del horno.   No cargar el material en el hogar en montón, sino de ttal al manera que

•

asegure la circulación de los gases del horno alrededor del mismo. Cargar el horno con el acero suficiente para asegurar la forja de una pieza de material, mientras que la próxima pieza alcanza la temperatura de forjado en el horno. 

 

Capítulo Ca pítulo 3. IImpacto mpacto ambi ental en los ttalleres alleres de forja Los locales de trabajo, además de la iluminación natural que penetra a través de puertas y ventanas deben estar provistos de lámparas. El E l volumen de las áreas productivas por trabajador no debe ser menor de 15 m 3. La iluminación en los talleres de forja no debe ser menor de 300 lumen (300 erg/seg). La pintura de las paredes debe ser en la parte superior de color claro y en la parte inferior de color oscuro. Deben estar creadas condiciones meteorológicas del aire circundante, de tal forma que garanticen los indicadores higiénicos de temperatura, humedad y velocidad del flujo de aire en la zona de trabajo. Estas condiciones se crean mediante la aireación natural con la adición de una ventilación artificial, si esto es necesario. necesario. La ventilación artificial se debe emplear cuando existe exceso de calor en la zona de trabajo y no puede ser eliminado con la ventilación natural. Insignificante exceso de calor se considera cuando no 2

3

sobrepasa los 83.7 KJ/m h (20Kcal/m h). Los hornos y el metal caliente son fuentes que enrarecen el aire con humos, partículas y gases nocivos, por lo que resulta importante aplicar medidas para ventilarlo a través de conductos que lo saquen a la atmósfera. Las operaciones de forja pueden entrañar un alto riesgo de laceraciones cuando los trabajadores manipulan las piezas forjadas o recortan las rebabas o los bordes inservibles de las mismas. En la forja de alto impacto pueden proyectarse fragmentos, cascarilla de óxido o herramientas, y causar lesiones. En algunas operaciones de forja el trabajador sujeta la pieza con unas tenazas durante el prensado

o

el

impacto,

lo

que

incrementa

el

riesgo

de

lesiones

musculoesqueléticas. En la forja los hornos donde se calientan las piezas (para la forja y el recocido) r ecocido) así como los recipientes de enfriamiento de piezas forjadas calientes suelen estar cerca del lugar de trabajo, lo que crea un elevado riesgo de estrés por calor. Otros factores que contribuyen al estrés por calor son la carga metabólica del trabajador durante el trasiego manual de materiales y, en algunos casos, el calor de los productos de la combustión de los lubricantes de estampas a base de aceite. La lubricación es necesaria en la mayoría de las operaciones de forja y presenta la particularidad de que el lubricante entra en

 

contacto con piezas que se encuentran a elevada temperatura, ello provoca su inmediato pirólisis y aerosolización.

 

Conclusiones.   El proceso de forja tiene una gran importa importancia ncia para la produc producción ción de

•

metales debido a que tienen un mejor acabado con mayores propiedades, se desperdicia menos material respecto al proceso de maquinado.   Se realiz realizaron aron los cálculos c correspondientes orrespondientes para la producción de un

•

semiproducto de un eje de acero 40X, así como las sobre medidas necesarias y el peso de las partes móviles de ll martillo.   Se nec necesita esita te tener ner muc mucho ho cui cuidado dado e en n los talleres de conformación debido

•

al peligro que estos pueden presentar a la hora de llevar acabo todas estas operaciones.

Bibliografía Cabrera, H. (2019). Folletos complementarios de Conformación de Metales. La Metales.  La Habana: UDM. Díaz, Y. L. (2012). ESTABLECIMIENTO DE LA CAPACIDAD INSTALADA EN EL TALLER DE FORJA . La .  La Habana: UDM Tesis. Valle, M. A. (2006). Estudio de factibilidad de un taller de forja.  forja.  La Habana: Trabajo de Diploma UDM.