FORJA y ESTAMPACIÓN. Guía básica

FORJA y ESTAMPACIÓN

Guía básica de diseño

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¡Vamos!

Introducción

El objetivo que se persigue en este apartado es que veas los aspectos fundamentales a tener en cuenta a la hora de diseñar una estampa para forja. Y que seas capaz de diseñar una siguiendo los parámetros fundamentales que se verán a continuación.

En el siguiente vídeo se te presenta la simulación de un proceso de forja en varias etapas y distintas estampas:

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Las estampas

La forja por estampación consiste en someter a un esfuerzo de compresión a un material entre las dos mitades de un molde, denominadas estampas. La estampa inferior está sujeta a la mesa de la máquina mientras que la superior va montada en la corredera móvil. La presi ón que la estampa superior ejerce sobre el material de trabajo, dispuesto sobre ésta, y la estampa inferior, hace que el material adopte la forma de la cavidad de dichas estampas.

etapas del forjado

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Materiales

Las estampas suelen estar sometidas a grandes esfuerzos, por lo que es necesario que sean resistentes a la compresión, al choque, al desgaste y a altas temperaturas. Los únicos materiales que reúnen estas características, y los más empleados para la construcción de estampas son los aceros aleados con tratamientos térmicos.

materiales de forja

Pueden emplearse también estampas de fundición, si se trata de series muy cortas, y materiales muy blandos. También pueden emplearse los aceros al carbono para grandes matrices y series cortas.

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Guía de diseño para el Reto1. Biela y Cigüeñal

Se propone diseñar unas estampas para el forjado de una par de bielas y un cigüeñal. Como base de partida se udarán unos planos enviados por el cliente y sus indicaciones. Para la realización del diseño de las estampas se deberán seguir los siguientes pasos de esta guía:

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1. Determinación de la superficie de partición

3. Salidas y redondeos

Las salidas de estampa, son necesarias para poder sacar fácilmente la pieza estampada . No son recomendables los cantos vivos, sino sustituirlos por redondeos.

Se llama superficie de partición a la superficie que separa las dos estampas.

4. Canal de rebaba

2. Sobre-espesores y contracciones

Debido a la dificultad para calcular la cantidad exacta de material y con el fin de evitar defectos en las piezas por falta de material, se suele prever más material de lo necesario que se aloja en un canal.

El sobre-espesor de mecanizado es el excedente de material que se prevé en cada una de las superficies de la pieza estampada que deberá mecanizarse al final del proceso de forjado.

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1. Determinación de la superficie de partición

Se denomina superficie de partición a aquella superficie que delimita la estampa superior de la inferior. La intersección de esta superficie con las caras exteriores de la pieza se llama línea de partición. La definición de esta superficie de partición es uno de los primeros pasos en el diseño de un molde. A ser posible, intentaremos que la superficie de partición sea plana como en la imagen de la izquierda, pero hay piezas que no permiten ésto, por lo que a veces es necesario que esa superficie sea quebrada o curvada.

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1. Determinación de la superficie de partición

Factores a tomar en consideración a la hora de seleccionar la superficie de partición: - La superficie de partición se tomará en la superficie más ancha de la pieza, ya que en la forja es más sencillo aplastar el material que hacerlo introducirse en una cavidad. - Si la pieza lo permite, es muy ventajoso económicamente hacer que una de las dos estampas sea plana. De esta manera se reducen los costos de mecanizado y se evitan problemas de desalineamiento entre las estampas. Pero debemos tener en cuenta que al hacer ésto tenemos que fabricar una de las estampas con una profundidad doble de la que necesitaría si dividiésemos la figura entre las dos. - A la hora de determinar cuál será la superficie de partición de una pieza, es necesario tener en cuenta que la situación de ésta influirá sobre la distribución de las fibras del material, ya que éstas se ordenan según el flujo del material durante el proceso de la forja.

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Antes de proceder al estudio y construcción de estampas en caliente, es indispensable realizar el dibujo de la pieza a estampar. El dibujo de la pieza a estampar debe hacerse teniendo en cuenta los sobre-espesores de las superficies a mecanizar, las contracciones del material al enfriar, los radios de redondeo y los ángulos de salida de la pieza.

2.1 Sobre-espesores

La línea continua representa la pieza forjada, y la discontinua la pieza una vez mecanizada. La masa de material entre las líneas continua y discontinua representa la masa de material que hay que eliminar en el mecanizado. Por eso el plano y, por consiguiente, el diseño de la estampa, se realizan indicando los excedentes de material sobre cada una de las superficies de la pieza y que posteriormente van a ser eliminados por arranque de viruta. El sobre-espesor de mecanizado es el excedente de material que se prevé en cada una de las superficies de la pieza estampada.

tablas de sobre-espesores

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2.2 Contracciones del material

En un proceso de estampado en caliente se diferencian básicamente y en este orden, las fases de calentamiento, deformación, y enfriamiento. En la primera, el material sufre una dilatación al ser calentado hasta la temperatura de forja, cuya magnitud varía según el material, y también según la temperatura a la que se caliente. Tras la deformación, en la que la masa de material caliente adquiere la forma de la cavidad, la pieza estampada se contrae a la vez que se enfría. De ésto se deduce que las cotas de la pieza no coinciden con las de la cavidad de la estampa, siendo mayores estas últimas. Por eso es que las dimensiones de las estampas se calculan y diseñan con el sobredimensionamiento necesario, para que la pieza final, una vez enfriada quede a las dimensiones deseadas. Debe ser la experiencia la que indique en cada caso el sobredimensionamiento necesario en la matriz. Además del material y de la temperatura de calentamiento, la propia geometría de la pieza hace que la contracción sea diferente en una u otra cota.

tabla de contracciones

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3.1 Salidas de estampas

Las inclinaciones, o salidas de estampa, son necesarias para poder sacar fácilmente la pieza estampada de las propias estampas una vez terminado el proceso. Hay dos tipos de salidas: exteriores e interiores. En los núcleos o partes en relieve de las estampas, el material tiende a agarrarse al contraerse por enfriamiento, lo que obliga a proyectar sus paredes con mayores salidas, se trata de las salidas interiores (ángulo α). En las zonas de las matrices con cavidades, el material al enfriarse tiende a separarse de los troqueles, y por eso estas salidas, las salidas exteriores (ángulo β) pueden ser menos acentuadas. Existen factores que afectan a la inclinación en las paredes de las estampas: - Cuanto más profundo sea la profundidad del grabado, mayor inclinación. - Si la estampa posee elementos que ayudan a expulsar la pieza, las salidas de las paredes pueden ser menores. - El material de la estampa no suele influir en la determinación de los valores de inclinación.

ejemplo

inclinaciones

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3.2 Redondeos de las aristas

No es recomendable que en los diseños de piezas estampadas aparezcan cantos vivos, sino que éstos deben son sustituidos por redondeos. La necesidad de redondear los cantos se debe al fenómeno de contracción del material durante el enfriamiento. Ésto provoca tensiones en las zonas de los cantos, que provocan una fractura a 45º, que comienza en la misma arista y que puede alargarse hasta una profundidad de entre 2 y 5 mm. Con los redondeamientos, se trata además de evitar el desgaste y el efecto de entalla en la estampa. La animación te muestra un ejemplo de cómo se producen estas fracturas. Pueden ser entrantes o salientes. Las aristas entrantes (radio r2) corresponden a los cantos de la pieza conformados por "núcleos" o partes en relieve de las matrices. Las salientes (radio r1) han quedado conformadas en las cavidades de las matrices.

ejemplo

redondeos

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4. Canal de rebaba

Debido a la dificultad para calcular la cantidad exacta de material necesaria para llenar correctamente la matriz, y con el fin de evitar defectos en las piezas por falta de material, se suele prever más material de lo necesario. Para alojar este excedente de material se prevén unos alojamientos en la periferia de la cavidad, que tras su llenado darán lugar a lo que se denomina rebaba. A veces estos alojamientos pueden ser de forma diferente, pero es importante que cumplir una serie de normas generales: - El ángulo entre el canal de rebaba y la dirección de choque del material no debe ser pequeño para poder desbarbar la pieza fácilmente (habitualmente la rebaba se elimina mediante un corte en un troquel). - La rebaba debe estar situada de manera que no se dificulte el grabado del molde.

canales de rebaba

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Para la creación de este recurso digital se han utilizado los apuntes de la escuela CIFP BIDASOA LHII y recursos de BIRTLH.

Este recurso digital ha sido creado por CIFP Bidasoa y se distribuye con licenci a CC-BY-SA

Irun, septiembre de 2.023

Si se tiene en cuenta el peso final de la pieza:

Analizando una a una cada dimensión de la pieza:

En el diseño de esta pieza se han previsto salidas de estampas. Se han identificado tres ángulos: A, B, y C. Las líneas discontinuas representan el diseño de la pieza acabada en máquina herramienta. Los ángulos A y B representan una salida exterior, esas paredes corresponde a una cavidad de la matriz, de las que el material va tender a separarse al enfriarse. El ángulo C es una salida interior, ya que al contraerse el anillo exterior tenderá a atrapar la matriz.

La maza, construida de fundición o acero y que puede tener formas diferentes, se desplaza en su descenso a lo largo de unas guías y choca contra el yunque. Una vez colocado el material sobre la estampa inferior, la maza se eleva y se deja caer, de manera que la estampa superior golpea la pieza de trabajo. La energía de impacto hace que la masa de material adopte la forma de la cavidad de las estampas. Las columnas, junto con el cabecero, que es donde normalmente se emplaza el mecanismo de elevación de la maza, y el yunque, que descansa sobre una cimentación suficientemente sólida como para eliminar al máximo la propagación de las vibraciones, constituyen el armazón de la máquina.

Imágenes obtenidas del trabajo "Diseño de Herramental 2008" de Felipe Diáz Del Castillo Rodriguez.

El mecanizado de las superficies de partición quebradas es bastante más complicado que el de las superficies planas, y el de las curvadas lo es aún más.Además el hecho de que haya caras inclinadas hace que en la forja surjan fuerzas laterales, por lo que en estas estampas es necesario mecanizar también un talón que asegurará el correcto alineamiento de ambas estampas.

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Para entrar en el canal de rebaba, el material debe fluir a través de un cuello más estrecho, que será el que hace el cierre, aumentando la presión dentro de la estampa y obligando al material a llenar las distintas cavidades de la estampa. Las dimensiones de ese cuello de la rebaba son muy importantes ya que si no hacen bien el cierre las estampas no se llenarán del todo y por tanto la pieza no tendrá la forma buscada. Y si el cierre es demasiado estrecho, la presión en el interior de la estampa puede ser muy alta, y llegar a romper la estampa. Las fórmulas para calcular el cuello del canal de rebaba son (observa la imagen de la izquierda, obtenida de "Metal forming practise processes", de Heinz Tschaetsch) :

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