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SIMULACION NUMERICA DE DEFECTOS Y DE LA RELACION FUERZA /
ENERGIA EN EL FORJADO EN CALIENTE DE UNA TUERCA PETROLERA
Conference Paper · October 2013
DOI: 10.13140/2.1.4615.4241
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Alexsandro Moraes
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SIMULACION NUMERICA DE DEFECTOS Y DE LA RELACION
FUERZA/ENERGIA EN EL FORJADO EN CALIENTE DE UNA
TUERCA PETROLERA DE UNIÓN DOBLE

Abate, Germán1; Moraes, Alexsandro2; Perez, Daniela1, Bonnemezón, Alfredo3; Martinez
Krahmer, Daniel1
1 Centro de Investigación y Desarrollo en Mecánica, Unidad Técnica Máquinas y
Herramientas, Instituto Nacional de Tecnología Industrial. E-mail: mkrahmer@inti.gob.ar
2 Technical Consultant of the Simufact Americas LLC, in Brazil. E-mail:
alexsandro.moraes@simufact-americas.com
3Asesor Técnico en Procesos de Forjado en Caliente
RESUMEN
En Argentina, la utilización de sistemas de simulación numérica aplicados a procesos de
forjado, podemos afirmar se encuentra en su etapa inicial.

Para colaborar en este sentido con el sector industrial involucrado, el Grupo de Forja de
INTI-Mecánica, inició sus tareas de capacitación en el empleo de la herramienta
Simufact.Forming, en Septiembre de 2012.

Con el objeto de mostrar algunas de sus capacidades, se obtuvo por intermedio de la
Cámara del Forjado de Argentina (CAFOR), una tuerca de unión doble de 3” de diámetro,
de las que habitualmente se usan en la industria petrolera. Esta pieza fue particularmente
seleccionada para ser simulada, por cuanto su grado de complejidad geométrica, suele
acarrear algunas dificultades durante el proceso de forjado.
La pieza en cuestión fue analizada por simulación numérica, considerando como material un
acero SAE 1022, y una prensa de tornillo de 1000t-112kJ, con dos objetivos:
a) caracterizar los defectos en función del tipo de tocho utilizado (barra redonda o
palanquilla con sección cuadrada), y del grado de aplastado inicial (upsetting), y b) evaluar
tanto la energía como la fuerza necesarias para el conformado, en cada uno de los
experimentos computacionales realizados.

Como resultado de las simulaciones con Simufact.Forming, fue por un lado posible
establecer los diferentes tipos de defectos resultantes.
Mientras que, usando barras redondas, resultaron faltas de llenado en los extremos de los
tres salientes de la tuerca, pliegues perimetrales concéntricos con los diámetros en una de
las caras de apoyo, y falta de material sobre la cavidad interior, en el caso de las
palanquillas, las faltas de llenado fueron significativamente mayores, y particularmente,
sobre la pared vertical interna, se ubicaron próximos a la cara de apoyo de la cavidad
central más profunda, y en coincidencia con los tres salientes perimetrales.

En cuanto a la energía consumida, valor determinante para fijar la cantidad de golpes a dar
durante un proceso para cerrar la matriz, los tochos de mayor sección y menor altura,
requirieron valores más reducidos para ser conformados.
Por el contrario, la fuerza necesaria aumentó conforme se emplearon secciones más
grandes, situación que podría conducir a sobrecargar las matrices y la misma máquina.
Para finalizar, tanto los valores de energía como de fuerza resultaron influenciados por la
sección del material, y no por su geometría (redonda o cuadrada).

1. INTRODUCCIÓN

Cuando se desea desarrollar una pieza, cuyo destino se encuentra directamente relacionado
con la seguridad (por citar algunos ejemplos: partes de un motor de avión, componentes de
la suspensión de un automóvil, piezas para la industria petrolera), los técnicos e ingenieros
que tienen a cargo su diseño y fabricación, considerarán como primera alternativa a
utilizar, el proceso de forjado. Las razones de esta elección son múltiples y variadas, como
se citan seguidamente. El forjado produce, a igualdad de volumen de una pieza fundida, una
resistencia mecánica superior debido al “fibrado” del material. Dicho de otro modo, dada
una pieza forjada y otra fundida, para ser usadas en el mismo destino, la forjada se podría
fabricar de menor volumen, logrando la misma resistencia. Esta característica genera una
ventaja adicional, dado que aplicando el proceso de forja, se produciría un ahorro
significativo de material. Además, se obtendrían otras mejoras a saber 1:

1) Una pieza forjada puesta en servicio, posee mayor resistencia mecánica,
para soportar las solicitaciones dinámicas o de impacto;
2) El proceso de deformación plástica elimina la porosidad, y ayuda a la
homogenización;
3) El forjado reduce el tamaño de grano desde la condición de fundido,
incrementando la tenacidad del material.

Más allá de lo comentado, la utilización de herramientas de simulación numérica, puede
colaborar para desarrollar, sin hacer uso del costoso sistema de prueba y error, un proceso
eficiente, tanto en lo que hace a la obtención de piezas de calidad (en forma, tolerancia, y
libre de defectos), como también en la correcta utilización del equipo principal de forja,
evitando así sobrecargas en el herramental y en la misma máquina. También es factible su
empleo para establecer defectos resultantes del proceso 2,3, como también su modo de
generación, ayudando a inferir la/las formas de solucionarlos.

En tal sentido, en este trabajo, se simuló con Simufact.Forming 4 el proceso de forjado
en caliente de una tuerca de unión doble de 3” aportada al Grupo de Forja por la Cámara del
Forjado de Argentina CAFOR 5, con dos objetivos: a) caracterizar los defectos en
función del tipo de tocho utilizado (barra redonda o palanquilla con sección cuadrada), y del
grado de aplastado inicial (upsetting), y b) evaluar tanto la energía como la fuerza
necesaria para el conformado en cada uno de los experimentos computacionales realizados.


2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
2.1 Material a conformar
La tuerca de unión doble analizada fue fabricada en acero SAE 1022. La composición
química nominal de este acero fue la siguiente (% peso): 0,18 a 0,23% C; 0,70 a 1,00% Mn;
0,10 a 0,30% Si; Fe balance.

2.2 Pieza a forjar
La tuerca de unión doble de 3” posee las siguientes dimensiones aproximadas: diámetro
exterior 157mm; diámetro interior 116mm; y altura 55mm.
El peso de la pieza rebabada (recortado tanto el perímetro exterior, como el tejo central),
es de unos 6,1kg.
En la figura siguiente presentamos una imagen renderizada 3D de la pieza involucrada en el
presente trabajo:

Figura 1: Imagen renderizada de tuerca de unión doble
2.3 Maquinaria
En los procesos de simulación realizados, se consideró como equipo principal de forja una
prensa de tornillo obtenida de la librería de equipos del Simufact.Forming, y consensuado el
mismo con un especialista de estos procesos. Esta prensa es de 1000t de capacidad
nominal, y de 112kJ de energía bruta. Asimismo presenta una velocidad máxima del mazo de
420mm/s, y una eficiencia de 0,9.

2.4 Proceso de conformado
Se utilizaron dos tipos de barras: sección redonda y sección cuadrada (palanquilla).
Las dimensiones de las mismas corresponden a medidas comerciales producidas por
ACINDAR en Argentina 6.
Sobre cada una de las barras analizadas, se realizó un aplastado inicial, correspondiente a
un porcentaje de la altura inicial, y la forma final se alcanzó efectuando dos golpes dentro
de la matriz. En todos los casos evaluados, se empleó un peso de corte de 7,5kg.

El detalle de los experimentos realizados por simulación numérica, se indica seguidamente:

Experimento Tipo de barra Medida Grado de aplastamiento (%)
1 Palanquilla 76,2 15
2 Palanquilla 76,2 25
3 Palanquilla 76,2 50
4 Palanquilla 86,0 15
5 Palanquilla 101,4 15
6 Redonda 88,9 15
7 Redonda 88,9 25
8 Redonda 88,9 50
9 Redonda 101,6 15
10 Redonda 120,0 15
Tabla 1: Nómina de experimentos realizados

Los otros datos de entrada utilizados durante la simulación numérica fueron:
Coeficiente de fricción 7: 0,3 para el aplastado inicial y 0,4 para el conformado en matriz.
Temperatura de forja: 1200°C
Temperatura de precalentamiento de matrices: 180°C.

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 Caracterización de defectos
En las figuras siguientes se muestran los pliegues resultantes, así como también las faltas
de llenado, para cada uno de los experimentos computacionales realizados.


Experimento 1:
Figura 2:
A- Pliegues.
B- Faltas de llenado (zonas en
azul) Cara superior.
C- Faltas de llenado, cara inferior.

































A
B C
Experimento 2:
Figura 3:
A- Pliegues.
B- Faltas de llenado (zonas en
azul) Cara superior.
C- Faltas de llenado, cara inferior.
A
B C

Experimento 3:
Figura 4:
A- Pliegues.
B- Faltas de llenado (zonas en
azul) Cara superior.
C- Faltas de llenado, cara inferior.
A
B C
























Experimento 4:
Figura 5:
A- Pliegues.
B- Faltas de llenado (zonas en
azul) Cara superior.
C- Faltas de llenado, cara inferior.
A
B C

Experimento 5:
Figura 6:
A- Pliegues.
B- Faltas de llenado (zonas en
azul) Cara superior.
C- Faltas de llenado, cara inferior.


































Experimento 6:
Figura 7:
A- Pliegues.
B- Faltas de llenado (zonas en
azul) Cara superior.
C- Faltas de llenado, cara inferior.
A
B C
A
CB

Experimento 7:
Figura 8:
A- Pliegues.
B- Faltas de llenado (zonas en
azul) Cara superior.
C- Faltas de llenado, cara inferior.
A
B C
Experimento 8:
Figura 9:
A- Pliegues.
B- Faltas de llenado (zonas en
azul) Cara superior.
C- Faltas de llenado, cara inferior.
A
B C

Experimento 9:
Figura 10:
A- Pliegues.
B- Faltas de llenado (zonas en
azul) Cara superior.
C- Faltas de llenado, cara inferior.
A
B

C

A





Experimento 10:
gura 11:
- Pliegues.
Faltas de llenado (zonas en
ul) Cara superior.
Faltas de llenado, cara inferior.
Fi
A
B-
az





C-
B C

Efectuada una comparación grupal y visual de los defectos obtenidos, se desprende que
básicamente son de dos tipos: pliegues y falta de llenado.
Respecto de las faltas de llenado no parecieran existir diferencias significativas, ni en las
arras de sección de igual forma y en sus diferentes medidas, como tampoco cuando se
omparan los defectos resultantes en barras de sección cuadrada y redonda.
or el contrario, y en referencia a los pliegues, si bien es cierto que, para barras de sección
on igual forma son similares, cuando se los contrasta para barras de sección redonda y
uadrada, mientras que para las primeras se ubican concentricamente con todo el
erímetro de la pieza, en las segundas, no tienen un patrón definido.
odas los experimentos computacionales mostraron pliegues sólo en la cara superior.
tra idea que surge de la inspección visual, es que, en las piezas obtenidas a partir de
arras red obtuvo una rebaba perimetral uniforme.
ara dar mas detalles gues, mostramos a continuación, la evolución
el pliegue pe ó un tocho redondo.








Figura 12: Evolución del pliegue perimetral en tres etapas (material de partida redondo

En referencia a la falta de llenado, como información adicional se muestra seguidamente el
flujo y la velocidad del material durante el conformado.

b
c
P
c
c
p
T
O
b ondas, se

P en referencia a los plie
rimetral, cuando como material de partida se utilizd










Etapa 2Etapa 1 Etapa 3

Vista en planta
)

Figura el conformado, dirección y velocidad (vista superior) 13: Flujo de material durante

Figura 14
Flujo de material durante el
conformado, dirección y





velocidad (vista inferior).
En la escala (a la derecha) se
encuentra la velocidad en mm/s.

En las figuras 13 y 14 podemos observar que la diferencia de velocidad entre las salientes
de la tuerca y el resto del perímetro, sumado al volumen de material que debe trasladarse,
roduce en la totalidad de los experimentos computacionales realizados, faltas de llenado
en el perímetro interior, ta superior c ferior.

3.2 Energía-fuerza de confor y cierre de mat
Seguidam e se presentan los valores de energía del do golpe dado en la matriz y la
fuerza de conformado, obtenidos estos valores por simulación numérica, y diferenciados
para cada experimento (sólo he considerado para el análisis aquellos valores obtenidos
para la operación de forjado en matriz, por cuanto proceso es los
valores más elevados, y por consecuencia, se utilizan para la selección de la
En la tabla siguiente se presentan los valores de ener uerza obtenidos p imulación
numérica. icionalmente se se si la matriz alcanzó o no a cerrarse, y en caso de no
haberlo hecho, la medida que qu abierta, para los d s experimentos realizados:

Experimento Energía (kJ) Fuerza (t) Cierre de matriz
p
nto en la zona omo en la in
mado, riz
ent segun
mos
este quien genera
máquina).
gía y f or s
Ad ñala
edó istinto
1 112 825 No – 0,7mm
2 108 985 Si
3 83 1518 Si
4 100 1095 Si
5 80 2000 Si
6 112 875 No – 1,4mm
7 112 990 No – 0,4mm
8 91 1890 Si
9 108 1180 Si
10 86 2178 Si
Tabla 2: Valores de energía, fuerza, y cierre de matriz por experimento

Con el objeto de mostrar la variación de los esfuerzos y la energía, conforme aumenta la
medida de la sección del material y el grado de aplastamiento inicial, adjuntamos las figuras
15 y 16, en los cuales estas variables están agrupadas por tipo de sección (palanquilla y
redondo).

Medida (mm)
Grado de aplastamiento (%)
101,486,076,2
1515502515
2000
1750
1500
1250
1000
101,486,076,2
1515502515
115
110
105
100
95
90
85
Fuerza (t)
80
Energía (kJ)
Gráfica de intervalos de Fuerza (t). Energía (kJ)
95% IC para la media

Figura 15: Valores de fuerza y energía, para la operación de forjado en palanquilla

Medida (mm)
Grado de aplastamiento (%)
120,0101,688,9
1515502515
2250
2000
1750
1500
1250
1000
120,0101,688,9
1515502515
115
110
105
100
95
90
85
Fuerza (t) Energía (kJ)
Gráfica de intervalos de Fuerza (t). Energía (kJ)
95% IC para la media

Palanquilla en proceso de conformado
Redondo en proceso de conformado

Figura 16: Valores de fuerza y energía, para la operación de forjado en redondo

Del análisis de estos últimos gráficos se desprende que, independientemente de la
geometría del material (palanquilla o redondo), la fuerza en el conformado final aumenta,
tanto si se incrementa la sección del material, como el grado de aplastamiento inicial.
En relación a la energía, el comportamiento es opuesto al anterior, dado que toda vez que
o el grado de aplastamiento inicial, la energía disminuye.
r una solución a este problema, ya
lación energía/fuerza resulta evidente que, con el objeto de cuidar
 Por último, es claro que la prensa de tornillo de 1000t está al límite de sus posibilidades
para realizar esta pieza. Sería recomendable entonces utilizar una de 1350t, dado que
ble una energía bruta de 200kJ 8.
,
iciais durante o
to Alegre, Brasil (paper).
ss and tool design. How to use the simulation method
AFOR, Porto Alegre, Brasil (paper).
aumenta la sección
CONCLUSIONES
 En relación a los defectos encontrados y dado que, las faltas de llenado podrían afectar
la funcionalidad de la pieza, quedará pendiente halla
sea aumentando el peso de corte teniendo en cuenta las variaciones de energía y fuerza
para la elección del diámetro, y/o usando un canal de rebaba con freno, y/o
reemplazando el aplastado inicial con un repartidor.
 Por el lado de la re
la prensa de tornillo y el herramental, será necesario alcanzar un equilibrio de estas
variables, considerando la cantidad de golpes que se requieren para lograr el
conformado final.
esta prensa tiene disponi
REFERENCIAS
1 A. Bonnemezón y D. Martinez Krahmer, Práctica industrial de la forja en caliente
Editorial Nueva Librería, Buenos Aires, Argentina, 2012 (libro).
2 F. Magalhaes, Simulacao numerica da evolucao de defectos superf
processo de recalcamento a frio, Congreso 31º SENAFOR, Por
3 G. Arfmann, Cold forging proce
most effectively, Congreso 32º SEN
4 www.simufact.de/en/solutions/sol_form.html (página web).
5 www.cafor.org.ar (página web).
6 www.acindar.com.ar (página web).
7 Vitaliy Martynenko y D. Martinez Krahmer, Determinación de coeficientes de fricción,
ara la simulación numérica de los procesos de forjado, por el método pin-on disk,
ongreso TriBaires, Buenos Aires, Argentina, 2013 (paper).
 www.ficepgroup.com/forging
p
C
8 (página web).



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