¿Qué es la forja en frío? Proceso, materiales, usos, ventajas y desventajas de la forja en frío

El rápido desarrollo de las industrias de la automoción, las motocicletas y las máquinas herramienta ha impulsado el desarrollo de la forja en frío como técnica tradicional. Sólo la demanda de piezas forjadas en la industria del automóvil supera los 10 millones de toneladas. El desarrollo de la tecnología de forja en frío tiene como objetivo principal desarrollar productos de alto valor agregado y reducir los costos de producción y, al mismo tiempo, también se está infiltrando o reemplazando los procesos de corte, pulvimetalurgia, fundición, forja en caliente y conformado de chapa. También puede formar procesos compuestos combinándose con estos procesos. Dado que el forjado en frío se realiza a temperatura cercana a la ambiente, algunos materiales son los más adecuados para el forjado en frío y otros no se pueden procesar. Este artículo presentará materiales que tienen buena compatibilidad con la forja en frío y estudios de casos que resuelven problemas relacionados con los materiales.

¿Qué es la forja en frío T? tecnología ?

La forja en frío se refiere a un método de conformado que da forma a materiales metálicos (metales) aplicando presión sin aplicar calor, manteniéndolos a temperatura ambiente. Dado que utiliza la plasticidad de los metales, también se le llama “conformación plástica”.

La tecnología de forjado en frío da forma a los materiales deformándolos, por lo que casi no se genera chatarra (desechos metálicos) durante la fabricación. Además, dado que los materiales se procesan a temperatura ambiente sin calentamiento, la precisión dimensional es buena e incluso se pueden procesar formas complejas y difíciles a una alta velocidad de alrededor de 100 piezas por minuto.

La tecnología de forjado en frío tiene una alta eficiencia de utilización del material y permite un procesamiento de alta precisión y alta velocidad, por lo que se dice que es una tecnología de procesamiento "racionalizada y respetuosa con el medio ambiente".

Ventajas de la forja en frío:

• Alta eficiencia en la utilización del material: con la tecnología de forjado en frío, que da forma a los materiales deformándolos, el procesamiento generalmente se lleva a cabo utilizando una cantidad de material equivalente al peso del producto terminado. Esto permite una alta eficiencia en la utilización del material y una importante reducción de los costes de material.

• Es posible una producción a alta velocidad: la tecnología de forjado en frío permite una producción a alta velocidad de alrededor de 100 piezas por minuto. Dado que el procesamiento se realiza a temperatura ambiente sin calentar el metal, las variaciones dimensionales son pequeñas e incluso se pueden procesar formas complejas y difíciles.

• Propiedades mecánicas mejoradas: el diseño del proceso teniendo en cuenta las líneas de flujo de fibra permite la producción de piezas con resistencia al desgaste y resistencia superiores.

• Eficaz para reducir los costos de las piezas: cuando las condiciones de producción, como la precisión requerida y el tamaño del lote, coinciden, la tecnología de forjado en frío, que tiene una alta eficiencia de materiales y permite un procesamiento de alta velocidad, tiene el potencial de reducir en gran medida los costos de las piezas en la producción en masa.

Desventajas de la forja en frío:

• Se requieren matrices (se requieren costos iniciales y plazos de fabricación de matrices)

• Se requiere una cierta cantidad de tiempo (costos) para los trabajos de instalación en el proceso → No apto para lotes pequeños

• Se requieren conocimientos técnicos para el diseño de procesos y matrices, y el grado de dificultad es alto.

• Algunas limitaciones de procesamiento en acabados como los radios de las esquinas.

¿Cómo funciona la forja en frío?

La forja en frío es un proceso de conformación de metal que se realiza a temperatura ambiente, significativamente por debajo de la temperatura de recristalización del metal involucrado. A diferencia de la forja en caliente, donde el metal se calienta a altas temperaturas, la forja en frío implica la deformación plástica de un metal en condiciones ambientales. Este método a menudo da como resultado un acabado superficial superior, una mayor resistencia debido al endurecimiento por trabajo y una mayor precisión dimensional.

A continuación se ofrece una descripción general de cómo funciona normalmente la forja en frío:

1. Selección de materiales

El primer paso es seleccionar un material adecuado que pueda soportar las tensiones del forjado en frío, normalmente metales como el acero, el aluminio y el cobre.

2. Lubricación

Antes de forjar, la pieza de trabajo suele lubricarse para reducir la fricción y el desgaste del troquel y facilitar el flujo de material.

3. Matrices y herramientas

Se crean matrices personalizadas que dan forma a la pieza de trabajo. Estos troqueles deben estar fabricados con materiales que sean más duros que la pieza de trabajo para soportar las presiones del forjado en frío.

4. Proceso de forja

La pieza de metal se coloca entre las matrices.

Una prensa, generalmente mecánica o hidráulica, aplica un golpe rápido y contundente a la pieza de trabajo, lo que hace que se deforme y adopte la forma de las cavidades del troquel.

Es posible que se necesiten varias operaciones de forjado, según la complejidad de la pieza. Esto puede implicar varias etapas de prensado con diferentes juegos de troqueles.

5. Recorte y acabado

Se recorta cualquier exceso de material, como las rebabas creadas durante el proceso de forjado.

Se pueden aplicar procesos de acabado adicionales como granallado, limpieza o tratamiento térmico (para aliviar la tensión).

Tipos de procesos de forja en frío
Existen procesos de forjado en frío de tipo rotativo y alternativo, y aquí se presenta el proceso de tipo alternativo realizado por nuestra empresa. Las técnicas de forja habituales incluyen forja libre, acuñación, extrusión, etc. A continuación explicamos los contenidos y características de cada técnica de forja:

Forja de acuñación:
Un método de procesamiento que le da al material una forma con un diámetro mayor que el original triturando el material dentro de una cavidad de troquel que está abierta en el centro. En la forja por acuñación, es difícil producir formas complejas ya que la circunferencia exterior no está restringida, por lo que se utiliza para casos simples como redondear una varilla en forma de disco. Si la relación de acuñación es demasiado grande, pueden ocurrir problemas como que la pieza de trabajo salga despedida, lo que requiere múltiples pasos. Generalmente, la pauta es una proporción de acuñación del 85% o menos, y si se excede, los procesos deben dividirse, lo que requiere troqueles adicionales.

Extrusión hacia atrás:
Un método de procesamiento que mueve el material en la dirección opuesta a la dirección de punzonado. El material se extruye (procesa) en dirección inversa (hacia atrás) con respecto a la dirección de conformación del punzón.

Extrusión hacia adelante:
Un método de procesamiento que reduce el diámetro del material empujándolo hacia una matriz más pequeña, lo que resulta en una reducción en el área de la sección transversal. Dar forma a materiales de alta dureza como el acero inoxidable puede resultar complicado.

Forja por troquel:
La forma deseada se procesa en los troqueles. El conformado se realiza colocando la pieza de trabajo y forjándola para que adopte la forma del troquel. El volumen del material se hace un poco más grande para llenar toda la cavidad del troquel, y el exceso de material llamado rebaba se produce en el exterior de la forma terminada, que se elimina en procesos posteriores. Formas de forja con matriz cerrada sin rebaba.

Forja de cierre:
La pieza de trabajo se coloca en la cavidad del troquel, que luego se cierra para adoptar la forma del troquel. Los punzones superior e inferior desplazan aún más el material para formar completamente la forma terminada.

¿Qué materiales son los más adecuados para la forja en frío?

Dado que el forjado en frío utiliza plasticidad a temperatura ambiente o casi ambiente, el material debe tener una característica de bajo endurecimiento por trabajo y cierto grado de deformabilidad. Por lo tanto, los materiales no plásticos como el vidrio no se utilizan para el forjado en frío.

Considerando lo anterior, los materiales adecuados para la forja en frío incluyen:

Hierro: Puede procesarse mediante forja, embutición, laminado a temperatura ambiente y alta, y diversificarse aún más mediante tratamientos térmicos como endurecimiento y revenido. También se utiliza en aleaciones como el acero inoxidable y ofrece una gran versatilidad. El hierro se procesa en varias partes. Las razones por las que el hierro se procesa doblado no son solo porque su dureza y elasticidad tienen valores óptimos para el procesamiento de doblado, sino también porque su bajo precio es adecuado para pedidos a gran escala. Los tratamientos de superficie después del procesamiento también se pueden realizar de muchas maneras, por lo que se puede utilizar en una amplia gama de campos, y el hierro también se adopta como material procesado en forja en frío.

Acero inoxidable: Acero aleado que contiene más de 10,5% de cromo y menos de 1,2% de carbono. El cromo forma una película pasiva que protege la superficie del cuerpo. Por lo tanto, los productos fabricados en acero inoxidable tienen una larga vida útil ya que se previene la corrosión.

Cobre y latón: El cobre tiene una excelente conductividad térmica y se utiliza en utensilios de cocina, tubos de calor y como conductor en dispositivos electrónicos. También forma una película protectora en la superficie cuando se expone al aire. Sin embargo, su mayor fortaleza es su excelente procesabilidad. El cobre es blando y dúctil. Se usa ampliamente en alambres, tubos y ollas de cobre porque el procesamiento es fácil. Esta es una de las razones por las que es adecuado para procesos de doblado y trefilado mediante prensas de forja en frío.

Aluminio: Aunque el aluminio tiene una menor resistencia a la tracción en su forma pura, su resistencia se puede aumentar agregando aleaciones como magnesio, manganeso, cobre, silicio, zinc, etc. o mediante procesos como laminación o tratamiento térmico. Se considera adecuado para la forja en frío debido a su plasticidad y capacidad para adoptar varias formas fácilmente.

Las piezas forjadas en frío también tienen la característica de una mayor precisión dimensional durante el conformado en comparación con otras piezas forjadas. Además, el estado de la superficie es mejor que el forjado en caliente o tibio, por lo que en algunos casos es posible que no sea necesario realizar trabajos de acabado. Los productos grandes o los materiales de alta resistencia se pueden forjar en frío con precisión mediante tratamientos intermedios de recocido o lubricación.

¿Para qué productos se utiliza la forja en frío?

La forja en frío se utiliza para producir una amplia gama de productos en diversas industrias. El proceso es particularmente adecuado para la producción de grandes volúmenes de piezas que requieren alta precisión y resistencia. A continuación se muestran algunos productos comunes elaborados mediante forjado en frío:

Componentes automotrices

Sujetadores y tornillos: se utilizan ampliamente en la industria automotriz y se pueden fabricar con precisión mediante forjado en frío.

Engranajes: Los engranajes de alta precisión para transmisiones y transmisiones se benefician de la resistencia mejorada debido al endurecimiento por trabajo.

Ejes: la forja en frío puede crear ejes fuertes y precisos para su uso en diversas aplicaciones automotrices.

Bujes de rueda: Los bujes de rueda forjados en frío tienen la resistencia y precisión requeridas para la industria automotriz.

Pistas de rodamientos: La alta precisión y el acabado superficial suave son fundamentales para las pistas de rodamientos, lo que se puede lograr mediante forjado en frío.

Electricidad y Electrónica

Conectores: Los conectores eléctricos se benefician de la buena conductividad y las dimensiones precisas que puede proporcionar el forjado en frío.

Terminales: Los terminales requieren formas precisas y buenas propiedades del material, que el forjado en frío puede lograr sin mecanizado adicional.

Hardware de construcción y edificación

Clavos y remaches: son piezas simples que a menudo se producen en cantidades masivas mediante forjado en frío.

Pernos y tuercas: Las roscas se pueden formar en frío para crear un perfil de rosca más fuerte con mejor resistencia a la fatiga.

Herramientas y hardware

Llaves inglesas y llaves inglesas: Las herramientas que requieren una forma específica y una alta durabilidad se fabrican comúnmente mediante forja en frío.

Componentes de herramientas manuales: varios componentes de herramientas manuales, como casquillos, se pueden fabricar mediante forjado en frío.

Componentes aeroespaciales

Sujetadores y pasadores: los sujetadores de grado aeroespacial que deben soportar cargas elevadas a menudo se fabrican mediante forjado en frío para garantizar resistencia y precisión.

Componentes del tren de aterrizaje: algunas partes del sistema del tren de aterrizaje se pueden forjar en frío para lograr la resistencia y las tolerancias requeridas.

Bienes de consumo

Componentes del reloj: Los componentes pequeños y precisos de los relojes se pueden fabricar mediante forjado en frío.

Menaje de cocina: artículos como cuchillos o mangos de utensilios que requieren cierta resistencia y acabado se pueden producir mediante forjado en frío.

Dispositivos médicos

Implantes: algunos implantes médicos se pueden forjar en frío para beneficiarse de las propiedades del material y la precisión que ofrece el proceso.

Herramientas quirúrgicas: Las herramientas utilizadas en cirugía que requieren precisión y resistencia se pueden fabricar mediante forja en frío.

La elección de la forja en frío como proceso de fabricación depende de las propiedades del material requeridas, la geometría de la pieza y la economía de producción. Debido a la alta resistencia, el buen acabado superficial y la precisión dimensional que proporciona, la forja en frío es un proceso atractivo para fabricar una variedad de componentes duraderos y críticos en muchas industrias.