Capitolul 10

Capitolul 10 TEHNOLOGIA FORJĂRII ÎN MATRIŢĂ 10.1 Procedee tehnologice de matriţare Forjarea în matriţă sau matriţarea este procedeul de deformare plastică în care materialul curge în interiorul unor cavităţi efectuate în sculele de deformare numite matriţe. În cazul general, matriţa este formată din două semimatriţe care au prelucrate o cavitate de formare în care se formează piesa şi un canal de bavură care urmează să preia surplusul de material sub forma inelului de bavură (figura 10.1). Semimatriţa superioară

Inel de bavură

Piesa matriţată

Semifabricat Semimatriţa inferioară

a) b) c) Figura 10.1 Forjarea în matriţă: a) matriţa deschisă; b) poziţie intermediară; c) matriţă închisă

O analiză comparativă a forjării în matriţă faţă de forjarea liberă evidenţiază următoarele aspecte: A. Forjarea liberă Avantaje: - nu necesită scule speciale (care implică timpi de fabricaţie mari şi costuri mari); - se poate folosi pentru produse de forme relativ simple. Probleme: - costuri ridicate cu prelucrarea prin aşchiere a pieselor forjate; - folosirea materialului nu este optimă (adaosuri mari de prelucrare); - orientarea fibrelor nu este optimă. Aplicaţii: - pentru producţia de serie mică şi unicate; - prelucrarea pieselor care necesită durate reduse de fabricaţie; - pentru testarea pe epruvete şi prototipuri. Aliaje prelucrate: - materiale cu rezistenţă la deformare de la mediu la ridicat. B. Forjarea în matriţă

212

Tehnologia forjării în matriţă – 10

Avantaje: - microstructura este optimă; - orientarea fibrelor se poate face în direcţia optimă; - permite prelucrarea pieselor de forme complicate; - prelucrabilitatea după formare este mai redusă; - folosirea eficientă a materialului. Probleme: - costurile ridicate ale sculelor. Aplicaţii: - pentru producţia de serie mare; - piese care necesită rezistenţă şi tenacitate ridicate; - piese pentru aplicaţii care impun o siguranţă ridicată. Aliaje prelucrate: - materiale cu rezistenţă medie şi ridicată. Forma matriţelor de prelucrare diferă în funcţie de utilajul folosit (ciocane de matriţare, prese cu excentric, prese cu şurub, prese hidraulice, maşini de forjat orizontal). Matriţele pot fi formate din două sau mai multe corpuri de deformare şi pot avea în componenţă extractoare sau elemente active interschimbabile (figura 10.2). 6 1

P

1

1

S

S

S

P

2

a) =

P

2

6

b)

c) 6

S 3

S 1

S

P P

5

P

4

2

2 6

d)

2

e)

6 f)

Figura 10.2 Scheme tehnologice de matriţare: a) matriţare pe ciocane; b) matriţare pe prese cu şurub; c) matriţare pe prese mecanice; d) matriţare pe maşini de forjat orizontal; e) matriţare fără bavură; f) matriţare pe prese hidraulice

În figura 10.2 s-au utilizat următoarele notaţii:

10 – Tehnologia forjării în matriţă

213

1 – semimatriţă superioară; 2 – semimatriţă inferioară; 3 – semimatriţă fixă; 4 – semimatriţă mobilă; 5 – poanson; 6 – extractor; P – piesa matriţată; S – semifabricat. Alegerea procedeului de matriţare se face în funcţie de forma şi dimensiunile pieselor, de natura materialului, de temperatura de încălzire, de precizia ce se impune a fi obţinută prin matriţare. Forţa necesară pentru deformare se determină orientativ cu relaţia: (10.1) F max = R dt ⋅ S t , daN unde St este secţiunea transverală maximă a semifabricatului. Lucrul mecanic de deformare se calculează cu relaţia: (10.2) L max = R dm ⋅V ⋅ ϕ , daN⋅ m V este volumul materialului deformat, iar

ϕ = ln h0 h

(10.3)

este gradul de deformare. 10.2 Proiectarea formei tehnologice a piesei matriţate 10.2.1 Stabilirea adaosurilor tehnologice şi a adaosurilor de prelucrare Piesele forjate în matriţă pot fi realizate la forme şi dimensiuni foarte diferite, iar condiţiile germnerale de calitate sunt cuprinse în normative care cuprind şi clasificări ale produselor matriţate. Pentru produsele care nu se încadrează în obiectul unor normative, se elaborază condiţii de calitate speciale. Forma piesei forjate se stabileşte pornind de la forma piese finite, la care se adaugă adaosurile tehnologice şi adaosurile de prelucrare. Ca şi în cazul pieselor forjate liber, adaosurile de prelucrare se au în vedere pentru suprafeţele funcţionale care trebuie prelucrate pentru obţinerea unei precizii mai ridicate decât cea asigurată de matriţare sau pentru obţinerea unei calităţi mai bune a suprafeţei (rugozitate mai redusă). Adaosurile tehnologice la matriţare sunt determinate de: − razele de racordare necesare între suprafeţele adiacente; − unghiul de înclinare necesar pentru suprafeţele paralele cu direcţia de deformare; − valorile minime ale grosimii pereţilor; − valorile minime ale puntiţelor; − complexitatea sculelor de matriţare, etc.

214

Tehnologia forjării în matriţă – 10

În figura 10.3 se prezintă adaosurile tehnologice şi de prelucrare care afectează dimensiunile piesei finite, precum şi forma piesei forjate. În cazul considerat, adaosurile de prelucrare trebuie să fie prevăzute pentru toate suprafeţele piesei, iar valoarea lor trebuie să asigure înlăturarea defectelor de pe suprafaţa piesei matriţate, precum şi reducerea toleranţelor dimensionale de la cele asigurate prin procesul de matriţare până la valorile impuse de către proiectant pentru a asigura îndeplinirea rolului funcţional. Valorile adaosurilor de prelucrare se stabilesc pe baza unor normative sau prin înţelegere între producător şi beneficiar. Valorile adaosurilor de prelucrare depind de dimensiunile, forma piesei şi procedeul de matriţare, fiind cuprinse între 0,75 mm şi 7,5 mm (figura 10.3).

Piesa finită

DF

Piesa matriţată CI

DE

P

CE

Piesa finită

Adaos de prelucrare

Adaos tehnologic

Figura 10.3 Adaosurile tehnologice şi de prelucrare la matriţare

Adaosurile tehnologice pentru piesa analizată sunt reprezentante de:

- conicitatea CE datorată înclinaţiei exterioare; - conicitatea CI datorată înclinaţiei interioare; - puntiţa P corespunzătoare orificiului obţinut prin matriţare (dacă orificiul are diametrul mai mare de 30 mm, acesta se obţine prin matriţare, iar în caz contrar, orificiul nu se matriţează, fiind prelucrat ulterior prin aşchiere); - degajarea de pe suprafaţa exterioară, DE; - degajările de pe suprafeţele frontale, DF. Toate tipurile de adaosuri tehnologice prezentate sunt obligatorii, cu excepţia degajărilor DF care pot fi obţinute prin matriţare când costurile suplimentare impuse de această operaţie (scula mai complexă, uzură mai rapidă) sunt mai reduse decât cele necesare pentru prelucrarea prin aşchiere (materialul înlaturat prin aşchiere şi costul operaţiei de aşchiere). Aceste adaosuri tehnologice care nu trebuie prevăzute neapărat se numesc adaosuri facultative.

10 – Tehnologia forjării în matriţă

215

10.2.2 Stabilirea razelor de racordare Razele de racordare necesare pentru matriţarea pe prese şi ciocane sunt dependente de dimensinile piesei în plan orizontal (b) şi în plan vertical (h) (figura 10.4). R r

r h

R r

R b

Figura 10.4 Stabilirea razelor de racordare pentru matriţarea pe prese şi ciocane

Valorile razelor de racordare pentru matriţarea pe prese şi ciocane sunt prezentate în tabelul 10.1. Tabelul 10.1 Valorile razelor de racordare la matriţare h/b ≤ 2 2 ≤ h/b ≤ 4 h/b > 4 h, mm r, R, r, r, R, mm R, mm mm mm mm mm 5-20 1,5 4 2 5 2,5 6 21-35 2,5 5 3,5 8 3,5 12 35-65 3,5 8 4,5 12 4,5 18 65-110 6 13 6 16 8 23 1108 18 9 25 10 34 170 17023 30 16 45 2 65 245

Valorile razelor de racordare pentru cazul matriţării unei piese cu înălţimea nervurilor de 25 mm, din diferite materiale sunt prezentate în tabelul 10.2. Tabelul 10.2 Valori orientative pentru razele de racordare la piesele matriţate Raza interioară R, mm Raza exterioară r, mm Materialul Valoare Valoare Valoare Valoare optimă minimă optimă minimă Oţel carbon şi slab aliate 10-13 6 3 1.5 Oţel inoxidabil 6-13 5 5 2.5 Aliaje de titan 13-16 10 6 3 Oţeluri refractare 13-19 6-10 6 3

Valorile sunt valabile pentru un raport al dimensiunilor h/b ≤ 1. La valori mai mari ale acestui raport, dimensinile razelor de racordare se majorează cu până la 50%. Valori prea mari ale razelor de racordare ale piesei matriţate (Rpm) comparativ cu cele ale razelor corespondente pe piesa finită (Rpf) conduc la un adaos tehnologic suplimentar, care urmează a fi înlăturat prin operaţiile de prelucrare prin aşchiere, ulterioare matriţării (figura 10.5).

216

Tehnologia forjării în matriţă – 10

Rpm

Conturul piesei matriţate Conturul piesei finite Rpf Adaos tehnologic

Figura 10.5 Adaosul tehnologic datorat razelor de racordare ale piesei matriţate

Dacă valorile razelor de racordare sunt mai mici decât cele optime, în piesele matriţate pot apărea defecte de tipul suprapunerilor (figura 10.6). R1

R2

R1

R2

R1> R2

Figura 10.6 Suprapuneri de material datorate rayelor mici de racordare ale matriţei

Valorile foarte reduse ale razei de racordare pot să conducă la întreruperea fibrajului de către muchia matriţei (figura 10.7), ceea ce conduce la înrăutăţirea caracteristicilor mecanice ale produsului forjat.

10 – Tehnologia forjării în matriţă

a

217

b

Figura 10.7. Aspectul fibrajului la piese matriţate: a) fibraj corespunzător corect la o rază de racordare; b) întreruperea fibrajului datorită unei raze de racordare prea mici

Razele mici de racordare pot conduce şi la fisurarea matriţei fie în timpul tratamentului termic, fie în timpul utilizării acesteia. În plus, deformarea matriţei ca urmare a încălzirii mai rapide a muchiilor cu raze mici de racordare poate conduce la blocarea piesei în matriţă (figura 10.8). Piesa matriţată

Matriţă

Deformaţii ale muchiilor ascuţite Fisuri

Figura 10.8 Deformări şi fisuri ale matriţelor în zonele de racordare

10.2.3 Stabilirea înclinaţiilor În cazul ciocanelor şi preselor fără aruncător (dispozitiv care realizează evacuarea piesei din locaşul matriţei), unghiurile de înclinaţie pentru suprafeţele exterioare au valoarea αe = 7°, iar unghiurile de înclinaţie pentru suprafeţele interioare au valoarea αi = 10° (figura 10.9).

αe αi

Figura 10.9 Unghiurile de înclinaţie pentru suprafeţele interioare şi exterioare

Pentru presele cu aruncător unghiurile de înclinaţie pot avea valori mai mici (αe = 3° şi αi = 7°).

218

Tehnologia forjării în matriţă – 10

10.2.4 Stabilirea grosimii minime a pereţilor şi a puntiţei

h

δ

Se face în funcţie de diametrul şi adâncimea cavitaţii (figura 10.10).

d s Figura 10.10 Grosimea minimă a pereţilor şi a puntiţei

Pentru matriţarea pieselor din oţel, valorile grosimii minime a pereţilor sunt prezentate în tabelul 10.3. Tabelul 10.3 Grosimea minimă a pereţilor la piesele matriţate

h, mm 10 10...16 16...25 25...40 40...63 63...100 100...16 0

10...1 6

16...2 5

24...4 0

40...6 3

1,5 2

2 3 4

3 4 5 6

4 5 6 8 10

d, mm 63...10 0 s, mm 5 6 8 10 12 16

100...16 0

160...25 0

250...40 0

6 8 10 12 16 20

10 12 16 20 25

16 20 25 31

25

31

40

Valorile grosimii minime a puntiţei sunt prezentate în tabelul 10.4. Tabelul 10.4 Grosimea minimă a puntiţei la piesele matriţate

h, mm 10 10...16 16...25 25...40 40...63 63...100 100...16 0

10...1 6

16...2 5

24...4 0

40...6 3

1,5 2

2 3 4

3 4 5 6

4 5 6 7 8

d, mm 63...10 0 δ, mm 5 6 7 8 10 12

100...16 0

160...25 0

250...40 0

6 7 8 10 12 16

8 10 12 16 20

12 16 20 25

20

25

31

10.3 Proiectarea matriţelor de forjare

10 – Tehnologia forjării în matriţă

219

În funcţie de complexitatea şi dimensiunile piesei matriţate, pot fi utilizate diferite variante constructive pentru matriţele de forjare: - matriţe cu o singură cavitate; - matriţe cu cavitate multiplă, la care mai multe cavităţi identice sunt realizate într-o singură matriţă; - matriţe cu trepte multiple, care necesită mai multe etape de deformare şi mai multe locaşuri cu geometrie diferită, prelucrate în aceeaşi matriţă. 10.3.1 Stabilirea planului de separare a matriţelor Poziţia planului care realizează divizarea cavitaţii între partea superioară şi cea inferioară a matriţei (planul de separare la forjare) are o importanţă deosebită, influenţând procesul de forjare, proprietăţile piesei obţinute prin matriţare şi performanţele matriţei. Planul de separare al matriţelor determină proporţiiile din volumul total al semifabricatului care se distibuie în matriţa superioară şi matriţa inferioară. Modul în care este ales planul de separare poate afecta următoarelor valori şi proprietăţi: - orientarea fibrajului în piesa matriţată; - proprietăţile de rezistenţă ale piesei matriţate; - masa semifabricatului; - forţa necesară la forjare; - procesul de umplere a formei; - operaţiile de prelucrare după matriţare; - uzura matriţelor. Variantele posibile de alegere a planului de separaţie pentru o piesă de formă cubică se prezintă în figura 10.11. ),). 1

1 2

2 α 3

α

3 α

Figura 10.11 Variante de alegere a planului sede separaţie pentru o piesă de formă cubică

În cazul unei piese de formă cilindrică, variantele de alegere a planului de separaţie sunt cele din figura 10.12.

220

Tehnologia forjării în matriţă – 10

α 2

α

α

2

1

3

1

3 Figura 10.12 Variante de alegere a planului de separaţie pentru o piesă de formă cilindrică

La alegera poziţiei planului de separare trebuie luate în considerare următoarele cerinţe: 1) Separarea simetrică (planele notate cu 2) asigură distribuirea egală a cavităţii în cele două semimatriţe, iar efortul pentru prelucrarea pereţilor conici ai sculelor este mai redus; 2) Separarea după o suprafaţă plană a piesei: dacă înălţimea blocului matriţei este mică prelucrarea mecanică este simplificată (sunt mai avantajoase planele notate cu 1); 3) Separarea pentru curgerea bună a materialelor: urmăreşte o curgere mai uşoară a materialului în interiorul cavităţilor, asigurând o mai bună umplere a acestora. 4) Separarea pentru prelucrabilitate bună: se face pentru o mai uşoară prelucrare a matriţei prelucrare (sunt mai avantajoase planele 3 în cazul cubului, respectiv al cilindrului, deoarece adaosul tehnologic este prezent numai pe două feţe). Pentru o piesă reală (roată cu butuc), alegera planului de separare poate fi aleasă conform variantelor din figura 10.13.

a

b

Plan de separaţie

c

Figura 10.13 Alegerea planului de separaţie la o roată cu butuc: a) piesa finită; b) Plan de separaţie transversal; b) plan de separaţie longitudinal

La alegerea poziţiei planului de separare trebuie să se ţină seama de orientarea corespunzătoare a fibrajului (pentru a asigura proprietăţi mecanice mai bune produsului matriţat), precum şi de posibilitatea de extragere a piesei din matriţă. Pentru piesa din figura 10.14, varianta a) de alegere a planului de separare este mai avantajoasă, deoarece asigură o mai bună continuitate a fibrajului şi elimină posibilitatea de apariţie a discontinuităţilor din zona axială, prezente în varianta b). P.S. P.S. Piesa finită

a)

b)

10 – Tehnologia forjării în matriţă

221

Figura 10.14 Alegerea planului de separaţie pentru un fibraj optim

În cazul pieselor cu axe mediane neliniare (figura 10.15) suprafaţa de separaţie nu poate avea o formă plană, dar este denumită tot plan de separaţie. Alegerea planului de separaţie ca în figura 10.15 a), conduce la apariţia unor forţe verticale, care tind să deplaseze matriţa superioară faţă de cea inferioară. Această deplasare, permisă de jocurile din sistemul sculă-utilaj de deformare, duce la obţinerea unor piese dezaxate, care constituie rebut (figura 10.15 b).

a)

b)

Figura 10.15 Alegerea necorespunzatoare a planului de separare la piese cu axă curbă: a) deplasarea relativă a semimatriţelor; b) piesă matriţată cu defect (dezaxată)

Pentru eliminarea acestui neajuns matriţele sunt prevăzure cu un umăr care împiedică deplasarea (figura 10.16 a), locaşurile sunt poziţionate înclinat pentru a permite echilibrarea forţelor verticale (figura 10.16 b) sau se prelucrează simultan două piese amplasate simetric (figura 10.16 c).

a)

b)

c)

Figura 10.16 Alegerea corectă a planului de separare la piese cu axa curbă: a) cu umăr de sprijin; b) aşezarea înclinată a piesei; c) prelucrarea simultană a două piese

10.3.2 Dimensionarea canalului de bavură Cele mai multe procese tehnologice de matriţare presupun utilizarea matriţării deschise (cu bavură), la care, pentru a avea certitudinea că volumul semifabricatului este suficient pentru umplerea cavităţii, acest volum se majorează cu o cantitate de material care urmează să fie preluată de canalul de bavură, după umplerea completă a locaşului de matriţare (figura 10.17).

Tehnologia forjării în matriţă – 10 b1S

R

h

b2

h1

h1

h2

b1

a)

h1

222

b1

b1i

b)

c)

Figura 10.17 Dimensionarea canalului de bavură: a) canal de bavură în ambele semimatriţe; b) canal de bavură în semimatriţa superioară; c) canal de bavură în semimatriţa inferioară

Canalul de bavură se prelucrează în ambele semimatriţe (figura 10.17 a, b) sau într-o singură semimatriţă (figura 10.17 c) fiind format din: - magazia, care urmează să preia surplusul de material având secţiunea b2·h2; - pragul, care trebuie să frâneze curgerea materialului spre canalul de bavură permiţând, mai întâi, umplerea locaşului. Înalţimea pragului este h1, iar lungimea notată cu b este diferită, în funcţie de varianta de canal de bavură utilizată. O valoare redusă a înălţimii pragului şi o valoare mare a lungimii acestuia contribuie la creşterea rezistenţei la curgere înspre canalul de bavură. Dimensiunile canalului de bavură se pot determina, în mod simplificat, din tabele, pornind de la înălţimea pragului de bavură h1:

h1 = 0,015 ⋅ A p , mm

(10.4)

unde: Ap este aria secţiunii piesei în planul de separaţie. Celelalte dimensiuni caracteristice ale canalului de bavură se determină în funcţie de înălţimea pragului de bavură şi de modul de matriţare (figura 10.18).

P

h

h

P

b

a)

b

b)

Figura 10.18 Scheme de matriţare: a) matriţarea cu refulare; b) matriţarea cu împingere

Pentru cazul unei piese matriţate din oţel, dimensiunile canalului de bavură sunt prezentate în tabelul 10.5 h1, mm

h2, mm

Tabelul 10.5 Dimensiunile caracteristice ale canalului de bavură Matriţarea cu Matriţarea cu Matriţarea cu R, mm refulare împingere refulare şi Adâncimea cavităţii, împingere h, mm

10 – Tehnologia forjării în matriţă

223

≤20

21-40

>40

b1, mm

b2, mm

b1, mm

b2, mm

b1, mm

b2, mm

0,6

3,0

1,0

1,0

1,5

6

18

8

22

6

20

1,0

3,0

1,0

1,5

2,0

7

22

10

28

8

25

2,0

3,0

1,5

2,0

2,5

9

25

12

32

10

28

4,0

6,0

2,0

2,5

3,0

11

30

16

42

14

38

6,0

8,0

2,5

3,0

3,5

13

35

20

50

16

42

3,0

3,5

4,0

14

38

22

55

18

46

3,0

3,5

4,0

15

40

25

60

20

50

8,0 10, 0

10, 0 12, 0

Volumul canalului de bavură Vb se calculează cu relaţia:

Vb = K ⋅ Pb ⋅ Ab

(10.5)

unde: K – coeficientul de umplere a canalului de bavură (K = 0,6...0,8); Pb – perimetrul ce trece prin centrul de greutate al canalului de bavură; Ab – secţiunea transversală a canalului de bavură. 10.3.3 Dimensionarea locaşurilor matriţei Locaşurile prelucrate în cele două semimatriţe trebuie să asigure obţinerea produsului forjat. În funcţie de complexitatea acestei forme şi de natura semifabriatului folosit, matriţele pot avea un singur locaş sau locaşuri multiple. Matriţele cu un singur locaş se folosesc pentru piese de rotaţie, relativ simple şi pentru producţia de serie mică. Semifabricatul utilizat poate fi preforjat prin forjare liberă. Locaşul din matriţă este locaşul de finisare şi conduce la obţinerea formei finale a produsului forjat. Un exemplu de piesă matriţată pe o matriţă cu un singur locaş este prezentat în figura 10.19. R5

R5

R5

5º

7º

224

Tehnologia forjării în matriţă – 10 Figura 10.19 Piesă matriţată într-o matriţă cu un singur locaş

În figura 10.20 se prezintă forma matriţei şi etapele de realizare a piesei. Piesele de formă mai complexă se prelucrează pe matriţe cu mai multe locaşuri: a) Locaşul de finisare este ultimul locaş în care piesa este deformată, cel care dă forma finală a piesei la care se adaugă inelul de bavură. Forma şi dimensiunile locaşului de finisare sunt cele ale piesei forjate afectate doar de modificarea de dimensiuni, datorită temperaturii mai ridicate. Locaşul de finisare va avea, prin urmare, dimensiuni majorate cu coeficientul de dilataţie termică (0,8...2%, în funcţie de natura materialului şi temperatura de matriţare).

Orificiu l bolţului pentru prindere

Canal de bavură

Oglindă

Cavitate

Inel de bavură

Figura 10.20 Matriţă cu un singur locaş

b) Locaşul de eboşare are formă apropiată de cea a locaşului de finisare, existând următoarele deosebiri: Secţiunea transversală a locaşului de eboşare are, în direcţia de deformare dimensiuni mai mari cu 15...20% faţă de cele ale locaşului de finisare, iar pe direcţie perpendiculară, dimensiuni mai mici pentru a păsta aceeaşi valoare a ariei secţiunii, întrucât lungimea celor două locaşuri este aceeaşi; Razele de racordare ale locaşului de eboşare sunt mai mari cu 2...5 mm faţă de cele similare din locaşul de finisare;

10 – Tehnologia forjării în matriţă

225

În cazul pieselor prevăzute cu nervuri înalte şi subţiri, în locaşul de eboşare acestea vor avea înălţime mai redusă; Locaşul de eboşare nu este prevăzut cu canal de bavură. În afara acestor două locaşuri, matriţele mai pot avea şi o serie de locaşuri pregătitoare: a) Locaşul de întindere, care are ca scop reducerea secţiunii în anumite porţiuni ale semifabricatului şi se amplasează la marginea matriţei; b) Locaşul de profilare, care are o formă ce permite obţinerea unui semifabricat având lungimea corespunzătoare locaşului de finisare. Ariile secţiunilor transversale în orice punct de pe lungime corespund cu cele ale piesei finite, la care se adaugă aria inelului de bavură. Acest lucru se asigură prin mai multe lovituri şi rotirea semifabricatului cu 90° după fiecare lovitură. În figura 10.21 se prezintă modul de determinare a preforjatului ideal prelucrat în locaşul de profilare pentru cazul matriţării unei biele. Forma acestui locaş se determină prin calcularea secţiunilor transversale în punctele caracteristice ale locaşului de finisare (figura 10.21 a), trasarea unei epure a secţiunilor (figura 10.21 b), simplificarea acesteia (figura 10.21 c) şi apoi trasarea epurei diametrelor, care indică forma preforjatului ideal pentru piesa analizată (figura 10.21 d).

S1 S2 S3

...

Sn

Sn

Lungimeapiesei

V1e V1a

V2e V2a

Diametrul semifabricatului

S1 S3 S2

Aria sectiunii transversale

Aria sectiunii transversale

a)

Lungimeapiesei

d) Lungimeapiesei b) c) Figura 10.21 Determinare a preforjatului ideal: a) stabilirea secţiunilor caracteristice; b) variaţia ariei sectiunii transversale; c) simplificarea curbei de variaţie a ariei secţiunii; d) variaţia diametrului semifabricatului

Pe matriţă se mai prelucrează cavităţi pentru cleştele care ţine piesa (de un cep de prindere, prelucrat anterior) la fiecare locaş de prelucrare şi un cuţit pentru detaşarea cepului de prindere după ultima prelucrare.

226

Tehnologia forjării în matriţă – 10

La amplasarea locaşurilor pe suprafaţa celor două semimatriţe trebuie să se ţină seamă de următoarele cerinţe: - reducerea momentelor de încovoiere din tija ciocanului; - reducerea deplasării relative a celor două semimatriţe în plan orizontal; - reducerea gabaritului semimatriţelor; - optimizarea modului de realizare a operaţiilor pregătitoare şi de matriţare. Locaşul de finsare şi cel de degroşare produc cele mai mari forţe de deformare, de aceea ele trebuie amplasate cât mai aproape de centrul matriţei (figura 10.22). Forţa maximă necesară pentru deformarea în locaşul de finisare se consideră de două ori mai mare decât cea necesară pentru locaşul de eboşare. Dacă distanţa dintre axele celor două locaşe este L, distanţele acestora faţă de axa matriţei vor fi:

1 L1 = L (pentru locaşul de finisare) 3

(10.6)

2 L (pentru locaşul de eboşare) 3

(10.7)

şi

L2 = Locaş de finisare

Locaş de eboşare

Oglinda matriţei

C1

C2

C

L2

L1 L

Locaş pentru cleşte

Figura 10.22 Amplasarea locaşelor de finisare şi eboşare

Momentele care vor produce încovoierea tijei pistonului şi vor solicita ghidajele vor fi:

10 – Tehnologia forjării în matriţă

1 Me = M f = F ⋅ L 3

227 (10.8)

În acest mod, uzura ghidajelor berbecului este egală în ambele părţi, iar flambarea tijei este minimă. Un exemplu de matriţă cu locaşuri multiple pentru forjarea unei biele este prezentat în figura 10.23.

Figura 10.23 Matriţă cu locaşuri multiple pentru forjarea unei biele

10.3.4 Calculul dimensiunilor de gabarit al matriţelor

a)

b)

În timpul proiectării matriţelor de forjare, trebuie luate în considerare următoarele aspecte: proiectarea pentru preîntâmpinarea deformaţiilor: - matriţele de forjare sunt supuse solicitărilor repetate; - rezistenţa la oboseală depinde de aria supraţei de contact dintre matriţe (oglinda matriţei), de tensiunile termce şi reziduale, precum şi de duritatea stratului superficial; proiectarea dimensiunilor:

228

Tehnologia forjării în matriţă – 10

-

Axalocaşului de finisare

Axa blocului matriţei

d)

se ţine seama de contracţiile pieselor deformate; o atenţie deosebită trebuie dată faptului că ambele matriţe (din oţel) şi piesele de prelucrat (din aluminiu) au coeficienţi diferiţi de dilatare termică şi că geometria matriţei are diferite surse de erori; c) proiectarea să urmărească asigurarea unor posibilităţi de prelucrare fără complicaţii; luarea în considerare a toleranţelor procedeelor de prelucrare. Deformaţiile sculelor pot fi reduse prin evitarea muchiilor ascuţite, trecerilor bruşte de secţiune, a înălţimilor mari pentru nervuri. În cazul matriţelor la care orificiul de finisare se află în centrul matriţei, aria oglinzii matriţei trebuie sa fie de cel puţin 300 cm2 pentru o tonă din greutatea părţii căzătoare a ciocanului, iar pentru matriţele cu locaşuri multiple, este necesar ca între axa locaşului de finisare şi marginea cea mai apropiată a matriţei să existe o suprafaţă A 1 de cel puţin 150 cm2 pentru o tonă din greutatea părţii căzătoare (figura 10.24). A1

Figura 10.24 Amplasarea locaşului de finisare

10.3.5 Procesul de fabricare al matriţelor de forjat Blocul matriţei este produs prin turnare şi laminare sau forjare şi apoi este prelucrat mecanic. Cavitatea este prelucrată prin aşchiere (frezare), eroziune electrică sau electrochimică. Matriţele sunt tratate termic pentru creşterea rezistenţei. După lustruire, suprafaţa are o rugozitatea de 3 µm. Dacă se folosec matriţe cu elemente active interschimbabile (figura 10.25), se pot reduce costurile de fabricaţie şi poate fi mărit numărul de piese prelucrate cu o matriţă.

10 – Tehnologia forjării în matriţă

229

Matriţă

Manşon Figura 10.25 Matriţă detaşabilă

Matriţa de deformare (partea activă) este realizată din oţel bogat aliat călit şi aliat revenit, iar partea de fixare (manşonul) poate fi realizată din oţel slab aliat sau oţel carbon, reducând şi costurile. În cazul matriţării metalelor şi aliajelor neferoase, în special a aluminiului, calitatea suprafeţei matriţei trebuie să fie mult mai ridicată decât în cazul matriţării oţelurilor (abaterile de pe suprafaţa cavităţii matriţei sunt reproduse mult mai exact la forjarea aluminiului). 10.3.6 Avarierea şi degradarea matriţelor de forjare Degradările matriţelor de forjare se produc datorită oboselii termice şi mecanice, precum şi a uzării şi deformaţiilor plastice. Aceste deteriorări pot fi produse de una sau mai multe cauze: 1) Fisurile datorate oboselii termice pot să survină în urma tensiunilor termice în scule, datorită diferenţelor de temperatură, de geometrie şi de condiţiile de deformare; 2) Deformaţiile plastice survin în urma tensiunilor locale excesive care pot depăşi limita de curgere a materialului matriţei, cum este cazul elementelor cu forme proeminente; 3) Fisurile datorate oboselii sunt iniţiate în zonele care prezintă concentratori de tensiune. Din acest motiv, trecerile bruşte de secţiune şi crestăturile din matriţă trebuie evitate pe cât este posibil; 4) Uzarea survine datorită detaşării de mici particule de pe suprafaţă. Gradul de uzare depinde de sistemul tribologic dintre sculă şi piesa de prelucrat. 10.4 Particularităţile matriţării pe prese hidraulice Presele hidraulice se caracterizează prin viteze reduse de deformare, forţe constante şi o funcţionare fără şocuri. Din aceste motive, pe presele hidraulice pot fi matriţate piese de forme mai complexe (piese cu mai multe plane de separaţie) prin deformare pe mai multe direcţii. În figura 10.26 se prezintă cazul matriţării unei piese după 5 direcţii. Forma piesei este realizată prin acţiunea celor două semimatriţe (S1 şi S2) care închid cavitatea, după care acţionează două poansoane verticale PV şi trei poansoane

230

Tehnologia forjării în matriţă – 10

orizontale PO, care realizează orificiile din piesă şi definitivează forma. Aceste prelucrări pot fi realizate pe utilaje speciale sau pe prese universale la care se montează suplimentar cilidri de deformare. În figura 10.27 este prezentat exemplul unei piese matiţate pe o presă hidraulică prevăzută cu doi cilindri orizontali cu acţiune diferenţială. Semimatriţele 1 şi 2 sunt acţionate de către cilindrii 3, iar cilindrii coaxiali 3 şi cilindrii verticali 6 şi 9 realizează prelucrarea orificiilor. PV PV a

S1 S2

b Piesa matriţată (debavurată)

c Piesa matriţată (nedebavurată)

d Figura 10.26 Matriţarea unei piese după 5 direcţii: a) poziţia iniţială; b) semimatriţe închise; c) poansoane pătrunse în material; d) poziţia finală

10 – Tehnologia forjării în matriţă

231

9

8 2

1

3

7

4

5

6

Figura 10.27 Matriţarea unei piese după 4 direcţii

Prelucrări similare pot fi realizate şi prin utilizarea unor dispozitive mecanice acţionate prin intermediul cilindrului principal al presei (figura 10.28). A-A P

PP

SMS

AM AF

AF

SMI

D

Piesa matriţată

A

A

Figura 10.28 Matriţarea unei piese după 4 direcţii cu dispozitivare mecanică

232

Tehnologia forjării în matriţă – 10

Cele trei dornuri cu acţiune orizontală sunt acţionate prin intermediul unor mecanisme articulate, prin intermediul discului de presiune PP, care deplasează articulaţiile mobile AM. Aceste dornuri prelucrează orificiile după închiderea semimatriţelor SMI şi SMF. 10.5 Particularităţile forjării metalelor şi aliajelor neferoase 10.5.1 Aluminiul şi aliajele de aluminiu Aliajele de aluminiu se forjază mai bine decât alte aliaje neferoase (aliaje de titan sau nichel-cobalt), caracterizându-se prin energie de deformare redusă şi grade mari de deformare înainte de rupere. Unele aliaje de aluminiu pot fi forjate atât pe prese, cât şi pe ciocane (6061, 6151), iar altele se forjază preponderant pe prese (2024, 5083, 5456, 7075, 7079). Temperaturile de forjare pentru aluminiu şi câteva dintre aliajele sale sunt prezentate în tabelul 10.6. Tabelul 10.6 Temperaturi de forjare pentru aliajele de aluminu Tipul Aliajul Intervalul de forjare ºC 1100 Al99,0 Cu 315-405 2014 Al-Cu4SiMg 420-460 2024 Al-Cu4Mg1 420-450 3003 Al-Mn1Cu 315-405 4032 415-460 5052 Al-Mg2,5 425-460 5083 Al-Mg4,5Mn 405-460 5456 425-460 6061 Al-Mg1SiCu 430-480 6151 415-470 7010 AlZn6MgCu 370-440 7039 380-440 7050 360-440 7075 Al-Zn5,5MgCu 380-440 7079 405-455 7080 370-440

Ca urmare a deformabilităţii ridicate, la forjarea aliajelor de aluminiu pot fi obţinute raze de racordare mici şi grosimi mai reduse ale pereţilor (figura 10.29).

10 – Tehnologia forjării în matriţă 6

233

16

2,5

80

6

25 10

25

6

3°

7°

a) b) Figura 10.29 Valorile razelor de )racordare, înclinărilor şi grosimilor: a) pentru matriţarea aluminiului; b) pentru matriţarea aliajelor pe bază de nichel

10.5.2 Cuprul Aliajele uzuale de cupru care se prelucrează prin forjare sunt: Alama cu 38%Zn şi 2%Pb; - Muntz Metal, 60% (C28000); - Alama navală (60% Cu, 39% Zn, 0.75% Sn); - Bronzuri de aluminiu; - Bronzuri de beriliu; - Aliaje Cu-Ni (15%Ni). Comportarea la forjare a aliajelor de cupru este mult influenţată de compoziţia chimică. În tabelul 10.7 se prezintă forjabilitatea relativă pentru o serie de aliaje de cupru (în comparaţie cu aliajul CuZn39Pb2). -

Tabelul 10.7 Forjabilitatea relativă a aliajelor de cupru Forjabilitate relativă, Intervalul de forjare, Compoziţia chimică % °C 99.95 min Cu 65 850-950 Cu-0.65Te-0.008P 65 750-875 Cu-0.10Fe-0.90C4-0.10 Si-0.05Pb 80 825-950 Cu-38Zn-2Pb 100 650-760 Cu-39.2Zn-0.8Mn 90 595-705 Cu-38Zn-0.8Sn-0.7Pb 90 Cu-37.5Zn-1.8Pb-0.7Sn 90 785-815 Cu-10AI-3Fe 75 760-925 Cu-10AI-5Ni-3Fe 75 800-925 Cu-9Al-5Ni-4Fe 70 705-925 Cu-7Al-1.8Si 80 730-900 Cu-3Si 40 700-875 Cu-39Zn-1.4Fe-1Si-0.1Mn 80 595-705

Aliajele de cupru se forjează, de regulă, în matriţe, în mod similar cu oţelurile. Se prelucrează relativ uşor şi prin extrudare.

234

Tehnologia forjării în matriţă – 10

10.5.3 Titanul şi aliajele de titan Temperatura de forjare şi viteza de răcire diferă în funcţie de tipul aliajului (α, α+β, β) şi pot influenţa mult microstructura şi caracteristicile mecanice obţinute în urma deformării. În cazul aliajelor cu structură α+β, temperatura de încălzire pentru forjare este situată, în mod convenţional sub temperatura βt (temperatură minimă a domeniului fazei β), varianta C din tabelul 10.8). În funcţie de structura ce se urmăreşte a fi obţinută, se poate realiza şi forjarea după încălzirea în domeniul β (varianta B din tabelul 10.8 ). Tabelul 10.8 Temperaturi recomandate pentru forjarea aliajelor de titan α+β Temperatura de forjare, Aliajul βt, ºC Varianta ºC C 900-980 Ti-6Al-4V 995 B 1010-1065 C 870-950 Ti-6Al-4V ELI 975 B 990-1045 Ti-6Al-6V-2Sn 945 C 845-915 C 845-915 Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo 940 B 955-1010 Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr 980 C 870-955 C 805-865 Ti-17 (Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Cr-4Mo 885 B 900-970 C 845-915 Corona 5 (Ti-4.5Al-5Mo-1.5Cr) 925 B 955-1010 IMI 550 (Ti-4Al-4Mo-2Sn) 990 C 900-970 IMI 679 (Ti-2Al-11Sn-4Zr-1Mo945 C 870-925 0.25Si) IMI 700 (Ti-6Al-5Zr-4Mo-1Cu-0.2Si) 1015 C 800-900

În cazul aliajelor cu structură α, temperatura de încălzire nu afectează în mod evident caracteristicile mecanice, dar creşterea temperaturii peste limita β t poate conduce la reducerea plasticităţii materialului. Combinaţia optimă între deformabiliate şi proprietăţile mecanice se obţine prin încălzirea în domeniul α+β (varianta C din tabelul 10.9). Tabelul 10.9 Temperaturi recomandate pentru forjarea aliajelor de titan α βt, Variant Temperatura de Aliajul C a forjare, C Ti-C.P. (titan commercial pur) 915 C 815-900 Ti-5Al-2.5Sn 1050 C 900-1010 Ti-5Al-6Sn-2Zr-1Mo-0.1Si 1010 C 900-995 C 940-1050 Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo 1015 B 1040-1120 C 900-975 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo(+0.2Si) 990 B 1010-1065 Ti-8Al-1Mo-1V 1040 C 900-1020 IMI 685 (Ti-6Al-5Zr-0.5Mo-0.25Si) 1030 C/B 980-1050

10 – Tehnologia forjării în matriţă Aliajul IMI 829 (Ti-5.5Al-3.5Sn-3Zr-1Nb-0.25Mo-0.3Si) IMI 834 (Ti-5.5Al-4.5Sn-4Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.4Si-0.06C)

βt, C 1015 1010

Variant a C/B C/B

235

Temperatura de forjare, C 980-1050 980-1050

Aliajele cu stuctură β au avantajul unei plasticităţi mai bune şi al unei temperaturi de recristalizare reduse, care permite încălzirea pentru forjare la temperaturi mai scăzute comparativ cu celelalte două clase de aliaje (tabelul 10.10). Tabelul 10.10 Temperaturi recomandate pentru forjarea aliajelor de titan β Temperatura de forjare, Aliajul Temperatura de tranziţie, C C Ti-8Al-8V-2Fe-3Al 775 705-980 705-785 Ti-10V-2Fe-3Al 805 815-870 Ti- 13V-11Cr-3Al 675 650-966 Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn 770 705-925 Beta C (Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr) 795 705-980 Beta Ill (Ti-4.5Sn-6Zr-11.5Mo) 745 705-955 Transage 129 (Ti-2Al- 11.5V-2Sn720 650-870 11Zr) Transage 175 (Ti-2.7Al-13V-7Sn-2Zr) 760 705-925

Atmosfera din cuptoarele de încălzire conţine, de obicei, oxigen liber care reacţionează puternic cu titnul din suprafaţă şi difuzează în interiorul semifabricatului. Se constată, de asemenea, o difuzie ceva mai redusă a azotului şi o difuzie mai puternică a hidrogenului din atmosfera de încălzire. Viteza de contaminare este relativ redusă până la 700°C şi creşte rapid cu creşterea temperaturii. Pentru a reduce contaminarea suprafeţei se urmăreşte încălzirea la temperaturi ridicate doar pentru o perioadă scurtă de timp înainte de forjare. Efectul negativ al acestor elemente poate fi redus prin recoacere prelungită în vid şi prin îndepărtarea stratului superficial prin prelucrări mecanice ulterioare.