Proceso típico de forjado sin matriz para piezas forjadas típicas

En el contexto actual de intensa competencia en el mercado y la continua mejora de la tecnología de forjado, las empresas buscan una mayor utilización de materiales, lo que ha dado lugar a la aparición de nuevas tecnologías prácticas. En el proceso de forjado de grandes prensas hidráulicas, el diseño y el uso adecuados de matrices de bloque y placas de fuga pueden reducir las tolerancias de mecanizado, ahorrar materiales y disminuir los costos de producción. Sin embargo, esto incrementa los costos de moldeo y prolonga el ciclo de producción. En ocasiones, si se considera únicamente desde la perspectiva del diseño del proceso, se pueden lograr resultados inesperados mediante un diseño inteligente y el aprovechamiento completo de los patrones de flujo de metal. Existen numerosos ejemplos de este tipo en la producción real. Este artículo presenta los procesos de conformado sin matriz para tres tipos diferentes de piezas forjadas: esferas grandes, ganchos de elevación y asientos de caja de tubo de abertura reducida con formas relativamente complejas.

1. Proceso de conformado sin matriz para piezas forjadas esféricas de gran tamaño

Una empresa de maquinaria aeroespacial contaba con dos grandes piezas forjadas esféricas de acero 45#, con un peso de 5908 kg, forjadas a partir de un lingote de acero de 8 toneladas y un diámetro de Φ1100 mm. Anteriormente, muchos fabricantes de prensas hidráulicas carecían de experiencia en la producción de dichas piezas forjadas y, por lo general, primero consideraban la fabricación de matrices de bloque hemisféricas. Sin embargo, la fabricación y el procesamiento de estas matrices no solo requieren mucho tiempo, sino que también suponen costes elevados y presentan importantes dificultades. Basándonos en los principios de conformado de metales y los patrones de flujo, desarrollamos un nuevo proceso, como se muestra en la Tabla 1, que se implementó con éxito en la producción. La forma final de la pieza forjada fue una esfera poliédrica compuesta por innumerables superficies planas pequeñas. Tras el tratamiento térmico posterior al forjado, las pruebas ultrasónicas no detectaron defectos superiores a Φ1 mm.

Este proceso se divide en dos etapas. La primera prioriza la compactación y el forjado minucioso según los principios del método de forjado por compactación eficaz, mientras que la segunda se centra en el moldeado. En la etapa final de la formación de la esfera, simplemente siguiendo la altura marcada en la escala de la prensa hidráulica y presionando repetidamente los bordes mientras se gira la pieza forjada con tenazas, se forma de forma natural una esfera compuesta por innumerables facetas pequeñas. Durante el moldeado, algunos bordes y esquinas pueden enfriarse gradualmente, tornándose de color rojo oscuro o incluso negro. Sin embargo, a medida que la forma se aproxima progresivamente a una esfera, la temperatura de la superficie se vuelve más uniforme y la temperatura de los bordes y esquinas vuelve a aumentar. Al finalizar, la esfera, compuesta por numerosas facetas pequeñas, luce brillante y espectacular, especialmente en la oscuridad de la noche.

2. Proceso optimizado para la forja de ganchos

Los procesos tradicionales de forjado de anzuelos suelen implicar presionar la espiga, recalcar, sacar un cuadrado plano, hacer muescas, enrollar el vástago y luego cortar en caliente para darle forma. Este método es relativamente derrochador en términos de material y da como resultado grandes márgenes de mecanizado. Esto se debe a que al hacer muescas en el escalón para el vástago del anzuelo, la importante diferencia de escalones a menudo da como resultado que sólo se forje una superficie cónica. Basado en los principios del flujo de metal, en el nuevo método, aproximadamente el 85% del material para el vástago del anzuelo se presiona primero en la pinza durante el prensado del lingote. Posteriormente, durante el proceso de recalcado y estirado para formar el cuadrado plano, una porción del material se aprieta dentro de la pinza con cada operación de recalcado. Finalmente, al enrollar la pinza, se le da forma con precisión. En consecuencia, para un gancho forjado que pesa aproximadamente 5 toneladas, el nuevo proceso a menudo reduce el peso de la forja en más de 1 tonelada en comparación con el método anterior. Para un gancho forjado hecho de material 20Mn, que pesa 10,330 kg y utiliza un lingote de 16 toneladas, su nuevo proceso de forjado se muestra en la Tabla 

3. Proceso de forjado sin matriz para el asiento de caja de tubería de apertura reducida

El asiento de caja de tubo de apertura reducida presenta una forma algo compleja, con un extremo con una abertura mayor y el otro con una menor, además de paredes interiores y exteriores cónicas (más estrechas en la parte superior y más anchas en la inferior). Tradicionalmente, la producción de este componente requiere la fabricación de un molde interior de tamaño adecuado. Tras el forjado y el preformado, la pieza se coloca en este molde para su conformación final. En 2003, una empresa recibió un pedido urgente de tres piezas forjadas para asientos de caja de tubo con diferentes especificaciones. El material era 20MnMo, con un peso del producto de 12.567 kg y un peso del lingote de 18 toneladas. Debido al corto plazo de entrega, no era viable fabricar tres juegos de moldes diferentes. Mediante un análisis y cálculo detallados, se diseñó ingeniosamente un novedoso proceso de forjado, como se describe en la Tabla 3. Gracias al control preciso de las operaciones de conformado sin usar moldes, el pedido se completó con éxito y se entregó a tiempo. En el proceso de conformado final del asiento de la caja de tubo, se observa que el uso de un yunque plano superior y una mesa giratoria inferior, junto con la rotación del extremo superior del cilindro con un yunque estrecho, provoca que el material fluya tanto hacia el orificio interior como hacia el diámetro exterior. Posteriormente, durante el laminado circular exterior, el metal se impulsa aún más hacia el orificio interior, mientras que la cara inferior del cilindro permanece prácticamente sin deformar (se puede aplicar refrigeración por agua si es necesario). Repitiendo este proceso aproximadamente tres veces se logra la forma requerida del forjado.

Del proceso final de conformado del asiento de la caja de la tubería, se observa que el uso de un yunque plano superior y una mesa giratoria inferior con rotación de yunque estrecho para presionar el extremo superior del cilindro provoca que el material fluya hacia el orificio interior y el diámetro exterior. Posteriormente, durante el laminado circular exterior, el metal se impulsa aún más hacia el orificio interior, mientras que la cara inferior del cilindro permanece prácticamente sin deformar (se puede aplicar refrigeración por agua si es necesario). Repetir este proceso aproximadamente tres veces permite obtener la forma deseada de la pieza forjada.

4. Conclusión

(1) Utilizando hábilmente los principios del flujo de metal, a menudo se pueden producir forjados complejos utilizando únicamente métodos de forjado libre.

(2) La optimización de los procesos de forjado puede reducir significativamente los costos de producción y acortar el ciclo de producción. (Este artículo es un extracto de la cuenta pública del Círculo de Tecnología de Forjado. Se hace una mención especial).