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MÓDULO I: FORJA

TEMA 5: Forja en prensas y martillos

TÉCNICAS AVANZADAS DE MOLDEO Y CONFORMADO

DPTO. DE INGENIERÍA MECÁNICA

Universidad del País Vasco – Euskal Herriko Unibertsitatea

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Contenidos

1. Forja en prensas- Tipos de utillajes- Definición de las direcciones de fuga- Efecto de anisotermia- Cálculo de presiones

2. Forja en martillos

Anexo: Simulación por Elementos Finitos de operaciones de forja

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1. Forja en prensas

TIPOS DE UTILLAJES: normalmente se utilizan varias etapas para llegar a la forma final.

- Previas: estampas aplastadoras, estiradoras, rodadoras, dobladoras, laminadoras

- Estampas iniciadoras y preparadoras

- Estampa acabadora

- Rebabado, punzonado y acuñado

- Troquel múltiple: todas las fases en un único troquel.

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1. Forja en prensas

Definición de las direcciones de fuga del material.

- Se elige la sección vertical más difícil de llenar, de la cual se toma el cuarto más complejo (por encima o por debajo del plano de rebaba) para el cálculo de presiones.

- La cavidad más difícil de llenar es la que decide la presión motriz.

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1. Forja en prensas

Efecto de anisotermia:

- El cordón de rebaba y los radios de acuerdo tienden a enfriar antes que el resto de la masa plástica, aumentando su resistencia a la deformación.

- En el caso de los radios de acuerdo este efecto se tiene en cuenta utilizando un radio ficticio, obtenido del cociente entre el radio real y un coeficiente obtenido de la tabla adjunta.

Para el cordón de rebaba se recomienda que 1 ≤ ε ≤ 6 (mm)

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1. Forja en prensas

Cálculo de presiones:

- Es preciso calcular las presiones de llenado de los detalles de la sección. EJEMPLO:

- En primer lugar se calcula la presión P1 de llenado de r1, entrando en las curvas umbrales de plasticidad con:

- A continuación se calcula la presión P2 de llenado de la cavidad de radio de fondo r2, utilizando la siguiente expresión:

donde:- m, es la presión necesaria para el llenado de r2. Se obtiene

entrando en las curvas umbrales de plasticidad con:

- α, es la pérdida de carga en la transmisión de m a las paredes de la cavidad. Se obtiene entrando en las curvas umbrales de plasticidad con:

- Se, Sf, son las secciones de entrada y de fondo de la cavidad

- μ, es el coeficiente de rozamiento viscoplástico, que depende de la temperatura y de los materiales en contacto.

H

DrK 12

0⋅

=

αμα +++⋅⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+⋅−= ⋅⋅ )(ln1)( 24

2 mmK rAe

SfSemP

drK 22 ⋅

=

dhK =2

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1. Forja en prensas

- Am, es el umbral de plasticidad medio al aplastamiento del taco.- rm, es el umbral de plasticidad medio al estirado del taco.

Valores del coeficiente de rozamiento viscoplástico para diferentes materiales y

temperaturas, con troquel de acero y lubricante grafito coloidal disuelto en agua

- Corrección en la presión motriz por la posición de la cavidad

pPP Δ+= 22

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1. Forja en prensas

La presión motriz P para la forja será el mayor de los dos valores calculados (P1, P2):

- La fuerza máxima que realizará la prensa vendrá dada por:

- q se obtiene entrando en las curvas umbrales de plasticidad con:

rebabapieza SqSPF ⋅+⋅=max

λε⋅

=2

Kq

Cálculo de la presión motriz en otras geometrías:

DrK 12

0⋅

=

lhK =2

DrK 12

0⋅

=

lhK =2

DrK 12

0⋅

=

lhK =2l

rK 22 ⋅=

lrK 22 ⋅

=lrK 22 ⋅

=

O bien

''

2 lhK =

'2'2

lrK ⋅

=

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2. Forja en martillos

Los comentarios hechos hasta el momento son aplicables a operaciones con bajas tasas de deformación, lo que puede asociarse a operaciones en prensa en general. El mejor ajuste se obtiene para operaciones en prensa hidráulica, seguida de prensa de biela-manivela, y con peor ajuste para las prensas de husillo.

En el caso de los martillos, las expresiones anteriores no pueden utilizarse. La resolución aproximada se lleva a cabo utilizando recomendaciones experimentales como las que se muestran a continuación.

Se definen los siguientes coeficientes:

media

medio

aeK =

emedio es el cociente entre el volumen total de pieza más rebaba y la superficie total (pieza+rebaba) transversal al golpe.amedia es el cociente entre la superficie de la pieza (transversal al golpe, y sin rebaba) y la longitud de la pieza sin rebaba

ehK ='

h es la altura de fondo de nervios, tetones o cavidades.e es su anchura

Coef. masividad-delgadez

Coef. Simplicidad-complejidad

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2. Forja en martillos

Datos experimentales que relacionan el tipo de pieza (según los anteriores coeficientes) con la velocidad de impacto y con la masa específica unitaria de caída. Con estos datos se consigue acabar la pieza en 4 o 5 golpes de martillo en estampa acabadora

V es la velocidad de impacto en m/s.

m es la masa específica unitaria (kg/cm2), de forma que la masa de caída será:

SmM ⋅=siendo S la superficie transversal al golpe en cm2

Tabla diseñada para piezas con relación longitud/anchura menor o igual a 3. Para valores entre 3 y 7, moverse una columna a la derecha, y para valores superiores a 7, dos

columnas a la derecha

Tabla con datos experimentales que informan sobre el número de golpes necesarios en función del peso de la

pieza y del porcentaje de rebaba

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Anexo: Simulación por EF

ASPECTOS A TENER EN CUENTA PARA LA SIMULACIÓN POR EF UTILIZANDO EL SOFTWARE QFORM:

- Geometría en formato DXF o IGES (preferible el generado por AutoCAD, aunque otros también son posibles).

- No dibujar nada en capas.- Dibujo 2D: solo aristas. - Dibujar solo la mitad de cada estampa (geometría de

revolución) y la mitad del taco.- Sin cotas, ni colores, ni rellenos.- El eje vertical debe coincidir con X=0.- Asegurarse de poner TODOS los radios de acuerdo,

incluyendo el de entrada a la rebaba.- No dejar ninguna arista viva.- Asegurarse de que el contorno está perfectamente

cerrado.- Asegurarse de que no hay elementos duplicados (unos

encima de otros).- No hacer tangencias entre curvas.- No hacer polilíneas.- Dibujar las estampas separadas del taco, es decir, dejar

un espacio de separación entre estampas y taco.

Dibujar solo la mitad del taco y la mita de cada estampa.

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Anexo: Pasos DISEÑO DE ESTAMPAS

Cálculo de salidasCálculo de redondeos de aristas salientesCálculo de redondeos de aristas entrante

Diseño estampa

Selección del ¼ de sección de mayor dificultad de forjaCorrección de redondeos de aristas salientes por anisotermiaCálculo de Presión Motriz más elevada

Presión motriz

Selección λ recomendadoCálculo de εComprobación de las recomendaciones existentes

Diseño cordón

Cálculo de la presión en el cordón de la rebaba Presión cordón

Cálculo Fmax a ejercer por la prensa Fuerza máxima prensa

Cálculo dimensiones del taco de partida Taco de partida

Tolerancias cotas funcionales