MATRITARE-1

MATRIŢAREA

1

1. Definiţie, Elemente generale Matriţarea constituie procedeul de prelucrare prin presiune a metalelor şi aliajelor la care materialul se deformează simultan în întreg volumul, iar curgerea acestuia este dirijată fiind condiţionată de forma şi dimensiunile cavităţilor practicate în sculele de lucru. Intrucit sculele în care are loc deformarea plastică a materialului în timpul matriţării se numesc matriţe, uneori matriţarea se mai numeşte şi sub denumirea de forjare în matriţă. In comparaţie cu forjarea liberă, matriţarea este un procedeu mult mai economic şi mai progresiv, pretându-se la mecanizări şi automatizări, fapt pentru care în ultima vreme procentul de piese obţinute prin matriţare ocupă un loc din ce în ce mai mare faţă de cele care se execută prin forjare. Alegerea modului de obţinere a unei piese prin forjare sau matriţare este condiţionată în primul rînd de numărul de piese. In cazul unicatelor şi seriilor mici se preferă forjarea, iar în cazul seriilor mijlocii şi mari matriţarea.

2

In figura 1 se prezintă variaţia preţului de cost în funcţie de numărul pieselor din lot şi de modul de execuţie. Se poate observa că în domeniul I matriţarea este mai costisitoare decât forjarea, iar în domeniile II şi III, datorită amortizării matriţelor, forjarea devine mai costisitoare. Ridicarea bruscă a preţului de cost al matriţării pentru cazul în care numărul de piese este n1, se datorează. cumulării preţului de recondiţionare sau de înlocuire a matriţelor. Numărul critic nc la care se face trecerea de Ia forjare la matriţare sau invers, depinde aproape în exclusivitate de configuraţia pieselor şi de gradul de tehnicitate al uzinei.

Fig. 1. Variaţia preţului de cost pentru piese forjate sau matriţate: 1 - piese matriţate; 2 - piese forjate

La alegerea, modului de execuţie a pieselor, prin forjare sau prin matriţare, în afară de mărimea seriei un rol hotărâtor îl are şi mărimea piesei. Astfel, piesele mari care pot fi executate prin matriţare se obţin prin forjare indiferent de mărimea seriei şi de preţul de cost. Spre deosebire de aceste două procedee distincte, în unele cazuri se mai întâlneşte şi forjarea mixtă care constă din combinarea forjării şi matriţării în vederea obţinerii aceloraşi piese. In acest caz matriţarea se efectuează parţial adică numai pe o porţiune a piesei unde configuraţia este mai complexă, iar restul piesei se execută prin forjare. 3

2. Procedee tehnologice de matriţare Clasificarea procedeelor tehnolgice de matriţare se bazează pe particularităţile utilajului la care se realizează procesul şi pe particularităţile legate de curgerea mateialului în cavităţile matriţelor Privind particularităţile utilajului, procedeele tehnologice de matriţare se împart în: matriţare la ciocane, la presele cu şurub, la presele cu excentric, în maşini de forjat orizontal, la presele hidraulice şi la maşini speciale. Fiecărei din aceste metode îi corespunde un anumit tip de matriţe care prezintă particularităţi impuse de cele ale utilajelor, fapt prezentat în figura 2.

Fig. 2. Tipuri de matriţe:

a - matriţă pentru ciocane; b - matriţă pentu prese cu excentric;c - matriţă pentru prese cu şurub; d - matriţe pentru maşini deforjat orizontal; e - matriţă închisă pentru presele hidraulice saucu şurub; f - matriţă pentru presele hidraulice.1 - semimatriţă superioară; 2 semimatriţă inferioară;3 - extractor; 4 - semimatriţă fixă; 4 5 - semimatriţă mobilă;6 - poanson; 7 - piesă matriţată.

Aşa de exemplu, constructiv pot să posede cavităţi în toate corpurile, iar piesa matriţată să fie rezultatul deformării semifabricatului în întreg ansamblul matriţei. Alteori, cum este cazul pachetului de matriţe pentru maşini de forjat orizontal, ele pot să aibă în componenţă un poanson care avînd rol de apăsare determină deformarea materialului doar într-un singur corp de matriţă. O altă particularitate este şi aceea că unele matriţe mai posedaă şi extractoare care au funcţia de eliminare a piesei matriţate din cavitatea în care s-a format. De asemenea, pentru mărirea durabilităţii, părţile active ale matriţelor sunt realizate din pastile care după uzare se pot schimba fără a fi afectat întregul bloc metalic. Planul care separă corpurile funcţionale ale unei matriţe se numeşte plan de separaţie. Când se matriţează cu un singur plan de separaţie (matiţarea la ciocan, la prese cu excentric sau cu fricţiune) deformarea metalului poate să aibă loc într-un singur corp de matriţă sau în ambele. 5

Dacă deformarea are loc într-o singură semimatriţă, matriţarea se numeşte unilaterală, iar cînd se produce în ambele semimatriţe se numeşte bilaterală. Matriţarea cu două plane de separaţie este caracteristică deformării la maşinile de forjat orizontale sau la piesele hidraulice dotate cu instalaţii speciale. In cazul preselor hidraulice se pot matriţa piese cu complexitate ridicată, în care caz prin intermediul adaptării corespunzătoare a instalaţiilor suplimentare se stabilesc chiar mai multe planuri de separaţie. Procedeul poartă denumirea de matriţare din mai multe direcţii. Metoda de matriţare care conduce la realizarea pieselor cu bavura se numeşte matriţare deschisă. Bavura reprezinţi plusul de material provenit de la semifabricatul iniţial care în cazul matriţMi deschise are un volum mai mare decît piesa matriţată. Matriţarea deschisă (cu bavura) se aplică pieselor cu o configuraţie mai complexă. Pentru piese cu configuraţie simplă, forma tehnologică a piesei matriţate se poate obţine fără bavura, caz în care metoda, poarta denumirea de matriţare închisă sau matriţare de precizie. 6

3. Proiectarea formei tehnologice a piesei matriţate Forma tehnologici a piesei matriţate se obţine din forma funcţională a piesei. Prin forma funcţională se înţelege piesa cu formele şi dimensiunile în stare de funcţionare, respectiv ca organ de maşină inclus în ansamblul utilajului din care face parte. Piesa funcţională mai poartă denumirea de piesă finită. In majoritatea cazurilor, tehnologiile de obţinere a pieselor matriţate nu permit realizarea unor suprafeţe de calitate şi a unor dimensiuni cuprinse în limite restrînse de toleranţe aşa cum sunt cerute pieselor finite. Din aceste motive, după operaţia de matriţare şi eventual, tratament termic preliminar, piesele matriţate sunt în continuare supuse prelucrării mecanice prin aşchiere. Astăzi există tot mai mult tendinţa executării pieselor matriţate cu o calitate superioară a suprafeţelor şi dimensiuni în toleranţe restrînse care să le creeze condiţii de funcţionalitate ca organe de maşină. Asemenea piese matriţate sunt denumite piese matriţate de precizie. Cu toate acestea şi piesele matriţate precis se gupun de cele mai multe ori cel puţin unor rectificări aplicate pe suprafeţele funcţionale. Pentru ca piesele finite să posede o calitate corespunzătoare a suprafeţelor funcţionale şi dimensiuni în limitele de toleranţă prescrise, dimensiunile nominale ale acestora vor fi mărite cu anumite valori. Surplusul de material prevăzut la piesele matriţate pe suprafeţele funcţionale ale piesei finite se numesc adaosuri. Adaosurile se împart în adaosuri pentru prelucrări şi adaosuri 7 tehnologice.

Din punct de vedere economic nu ar raţional să se prelucreze prin aşchiere toate categoriile de piese matriţate sau toate feţele lor. Adaosurile pentru prelucrări vor fi obligatorii doar pentru piesele la care se cere o precizie dimensională ridicată, calitate bună şi netedă a suprafeţei, fapt ce se impune îndeosebi pentru piesele care ulterior vor fi supuse cementării, nitrurării sau căliri superficiale. Suprafeţele pieselor realizate prin matriţare la cald rezultă întotdeauna cu defecte, iar adaosurile de prelucrare dau posibilitatea înlăturării acestui neajuns. Defectele suprafeţelor constau în oxizi imprimaţi, aspect zgrunţuros, decarburări, etc. Aspectul zgrunţuros al piesei matriţate depinde în principal de metoda utilizată la încălzirea semifabricatului, metoda folosită pentru înlăturarea oxizilor şi de calitatea suprafeţelor cavităţilor din matriţă. Grosimea stratului decarburat este dependentă de viteza de încălzire a semifabricatului şi în mod deosebit de compoziţia chimică a oţelurilor. La piesele mici din oţeluri trebuie să se ia în considerare că stratul decarburant este de aproximativ 0,3 mm cînd încălzirea semifabricatului s-a realizat într-un interval de timp de pînă la 30 min. Dacă însă încălzirea se realizează într-un interval de 1...2 ore, adâncimea stratului decarburat poate ajunge pînă la 1...2 mm. Un alt factor care influenţează mărimea adaosurilor de prelucrare, este starea suprafeţei piesei respectiv defectele de suprafaţă ale pieselor. Aceste defecte pot fi cauzate de suprapuneri, micro şi macrocrăpături, goluri de aer sau gaze prinse între suprafeţele pieselor şi ale cavităţilor din matriţe, etc. Pentru a se asigura îndepărtarea prin prelucrările mecanice ulterioare matriţării a tuturor defectelor de suprafaţă ce ar putea să apară pe piesele matriţate, adaosurile de prelucrare se stabilesc pe suprafeţele pieselor finite care au indicate 8 rugozităţi mai mici decât Ra=12,5 m.

Toate adaosurile pentru prelucrare se stabilesc în funcţie de compoziţia chimică a oţelului din care se executa piesa, de gradul de complexitate şi de dimensiunile acesteia, valorile acestor adaosuri fiind precizate în standarde. Adaosurile tehnologice sunt acele adaosuri care conduc la modificarea configuraţiei piesei finite. Modificarea configuraţiei piesei decurge din faptul că o mare parte din piesele finite nu au fonne corespunzătoare realizării lor fidele prin matriţare. Acest lucru impune ca în afara adaosurilor de prelucrare unele detalii să fie modificate cu adaosuri tehnologice care să conducă la obţinerea pieselor fără dificultate. Printre adaosurile tehnologice se enumera: înclinările de matriţare, razele de racordare, modificările grosimilor pereţilor sau nervurilor în sensul măririi lor la dimensiuni ce nu pot fi obţinute economic şi de calitate, precum şi umplerea unor detalii de pe piesa finită, detalii care au poziţii ce nu pot fi realizate prin matriţare sau au dimensiuni reduse care nu justifică executarea lor economică. Modul de amplasare a diferitelor categorii de adaosuri în vederea obţinerii formei tehnologice a piesei matriţate este prezentat în 9 figura 3.

Mărimea înclinărilor de matriţare se stabileşte în funcţie de forma piesei, de amplasarea acestora (pe suprafeţe interioare sau exterioare) şi de tipul utilajului pe care se realizează tehnologia de matriţare şi ea precizata in standarde. Pentru suprafeţele interioare se recomandă ca înclinările de matriţare să fie mai mari decît cele exterioare. De asemenea, pentru matriţele dotate cu extractoare se impun înclinări mai mici, iar pentru piesele matriţate la maşini de forjat orizontal înclinările de matriţare pot fi eliminate complet. Înclinările de matriţare reprezintă adaosuri tehnologice care măresc adaosurile minime pentru prelucrări mecanice prin aşchiere. Adaosul minim de înclinare este la marginea frontală a piesei şi respectiv la muchiile acesteia.

Fig. 3. Exemplu de piesă matriţată cu adaosuri de prelucrare şi tehnologice

10

Valorile înclinărilor de matriţare influenţează şi curgerea materialului în cavităţile matriţei. Dacă înclinările sunt prea mari ( fig. 4. ) curgerea este frânată de valorile forţelor normală N şi de alunecare R ambele componente ale forţei F de împingere a materialului în cavitate. Frînarea curgerii materialului în cavitatea matriţei se explică prin mărirea valorică a componentei normale (N=Fsin) şi scăderea corespunzătoare a componentei tangenţiale (R=Fcos) fapt care conduce la mărirea rezistenţei la deformare a materialului şi eventual la umplerea greoaie a cavităţii. Razele de racordare se execută cu două scopuri: să elimine muchiile ascuţite care ar conduce la uzura prematură a cavităţilor din matriţe şi să uşureze curgerea materialului reducînd totodată şi valorile forţelor de împingere sau de deformare a semifabricatului.

Fig. 4. Repartizarea forţei de împingere a materialului pe pereţii înclinaţi ai cavităţii

11

Ele sunt date în funcţie de dimensiunile tronsoanelor pieselor la care se aplică. Este de remarcat faptul că razele de racordare pot să introducă adaosuri tehnologice suplimentare (fig.3). Acestea sunt cu atât mai mari cu cât razele au valori mai ridicate. In ceea ce priveşte pereţii subţiri ai pieselor, precum şi nervurile înguste şi înalte, nu se recomandă matriţarea lor deoarece contactul dintre material şi matriţă determină răcirea rapidă în zonele respective. Acest fapt conduce la mărirea valorii rezistenţei la deformare a materialului şi la uzura prematură a matriţelor. De asemenea, dacă matriţarea se execută la presele mecanice cu excentric sau cu fricţiune, mărirea valorii rezistenţei la deformare a materialului determină şi o solicitare suplimentară a utilajului fapt care poate conduce chiar Ia avarierea utilajului. Din motivele menţionate, pereţii şi nervurile pieselor vor fi mărite la dimensiuni optime de matriţare prevăzându-li-se adaosuri tehnologice. În figura 5 se prezintă o diagramă cu valorile optime ale grosimilor pereţilor pieselor matriţate şi nervurilor ce pot fi matriţate.

Fig. 5. Grosimea minimă a pereţilor şi nervurilor pieselor ce pot fi realizate prin matriţare: a - diagramă pentru determinarea valorilor, b - exemplu de piesa cu pereţi şi nervuri

12

Cu ajutorul adaosurilor tehnologice este uneori necesar să se corecteze unele forme ale pieselor finite care au detalii ce nu pot fi realizate prin matriţare. Printre acestea se enumera şi găurile de dimensiuni mai mici de 30 mm, cavităţile aflate în planuri perpendiculare pe direcţia de matriţare, etc. ( fig. 3. ). Acestea vor fi umplute cu material, urmând ca îndepărtarea Iui să se facă la operaţiile de prelucrare ulterioare prin aşchiere. O altă categorie de adaosuri tehnologice o reprezintă puntiţele găurilor cu diametrul mai mare de 30 mm. Ele sunt inevitabile în cazul matriţării la ciocan sau la prese mecanice verticale. In funcţie de diametrul găurilor puntiţele se execută în trei variante ( fig. 6.): cu suprafaţă dreaptă, înclinată şi concavă.

Fig. 6. Tipuri de puntiţe: a - dreaptă; b - cu înclinare spre axa piesei; c - concavă 13

Grosimea δ a puntiţelor cu suprafaţă dreaptă se calculează cu relaţia:

  0,45. d  0,25.h  5  0,6 h

(1)

Dacă d - 1,25- R>26 mm se recomandă utilizarea puntiţelor înclinate spre axa verticală a piesei ( fig. 6.b ). In acest caz grosimile maximă şi minimă a puntiţei se determină în funcţie de valoarea  stabilită cu relaţia:  m ax  1,35 . (2)  min  0,65 . iar diametrul d1al porţiunii drepte:

d1  0,12 .d  3

La matriţarea pieselor scunde şi cu diametrul mare al găurii (inele) care provin din inele forjate liber se recomandă puntiţele concave. Dimensionarea acestor puntiţe se face cu relaţiile: (3) R  5.h   0,4. d 1

raza R2 rezultând grafic. (fig. 6,c.) Puntiţele se amplasează în planul de separaţie al piesei matriţate. Pentru proiectarea formei tehnologice a piesei matriţate, un rol imprtant îl joacă poziţia planului de separaţie faţă de care se stabilesc unele din adaosurile tehnologice, printre care fac parte în mod deosebit înclinările de matriţare. 14

Principiile care stau la baza poziţionării planului de separaţie sunt: a)- pentru reducerea la minim a consumului de material determinat de înclinările de matriţare, planul de separaţie se va amplasa pe cît posibil la jumătatea înălţimii piesei; b)- la piesele simetrice în planurile orizontal şi vertical, se va stabili un plan de separaţie drept (fig. 7.); un asemenea plan conduce la utilizarea unor blocuri de matriţe cu înălţime minimă:

Fig. 7. Planuri de separaţie drepte

15

c)- planurile de separaţie curbe se stabilesc în următoarele cazuri: când piesele au simetrie redusă în secţiune longitudinală (fig. 8.a ) sau când se urmăreşte obţinerea în piesă a unui anumit fibraj (fig. 8.b).

Fig. 8. Planuri de separaţie curbe

Trebuie avut în vedere că planurile de separaţie curbe conduc în timpul deformării materialului la presiuni mari pe pereţii cavităţilor. Aceste presiuni acţionează uneori şi în sensul dezaxării semimatriţelor dacă nu se iau măsuri suplimentare în acest sens. 16

4. Factorii care influenţează precizia dimensională a pieselor matriţate Obţinerea dimensiunilor nominale ale pieselor matriţate în limitele de toleranţe admisibile depinde de: precizia dimensiunilor cavităţilor matriţei, încălzirea semifabricatului, schimbarea formei cavităţilor în timpul matriţării, deformarea matriţelor pe parcursul procesului tehnologic, dimensiunile semifabricatelor iniţiale, rigiditatea utilajelor. Precizia dimensiunilor cavităţilor din matriţe este determinată de complexitatea formei piesei matriţate şi de metoda tehnologică aplicată pentru realizarea cavităţilor. Dimensiunile cavităţilor din matriţe se stabilesc ţinând seama de dilatarea materialului în condiţiile deformării plastice la cald. Valoarea mărită a fiecărei dimensiuni liniare a pieselor matriţate aflate la temperatura de deformare se stabileşte cu relaţia:

I 1  I 0 1  t 

(4)

în care: I1 - lungimea dimensiunii considerate la temperatura de matriţare, în mm; I0 - lungimea dimensiunii considerate la 20°C a - coeficient de dilatare termică liminară, în 1 /°C; t- diferenţa de temperatură dintre temperatura de sfârşit de matriţare şi temperatura mediului 17 ambiant, în °C.

Aplicând relaţia prezentată la toate dimensiunile piesei matriţate, rezultă cotele formei cavităţilor în care se obţin formele tehnologice finale a pieselor. Dacă temperatura de sfârşit de matriţare nu este identică cu temperatura considerată în relaţia de calcul a dimensiunilor cavităţilor, nu se vor realiza în final dimensiunile nominale ale piesei matriţate. De exemplu, prin terminarea matriţării cu 100°C mai sus, dimensiunile piesei în stare rece vor fi cu aproximativ 0,1% mai mici. Schimbarea dimensiunilor cavităţilor în timpul procesului de deformare se datoreşte îndeosebi uzurii suprafeţelor în zonele unde au loc dizlocări puternice ale materialului supus matriţării. Acest fenomen are loc la muchiile care marchează trecerile Ia secţiuni cu dimensiuni diferite, iar în cazul matriţării deschise în zona planului de separaţie, unde plusul de material este forţat să curgă în bavură. Rezultă că uzura matriţelor este cu atât mai pronunţată cu cât piesa matriţată este mai complexă ca formă. Micşorarea tendinţei de uzare prematură a cavităţilor şi deci mărirea preciziei dimensionale a pieselor matriţate se poate realiza prin adaptarea formei semifabricatului iniţial la forma tehnologică a piesei matriţate şi prin utilizarea ungerii suprafeţei cavităţilor cu soluţii de ulei18şi grafit sau ulei cu praf de sticlă.

Matriţele dimensionate şi tratate termic necorespunzător pot suferi pe parcursul utilizării lor avarii care pot conduce fie la crăparea lor, fie la deformare. Consecinţa acestor neajunsuri este realizarea pieselor cu forme şi dimensiuni necorespunzătoare. Un alt factor important este tipul şi respectiv rigiditatea utilajului la care se execută matriţarea. La ciocane şi la presele cu şurub o importanţă mare o are modul în care cele două părţi care compun blocul matriţei sunt coaxiale şi respectiv cavităţile din ele se suprapun formînd conturul fidel al negativului piesei. Acest lucru depinde de montajul semimatriţelor. în special al semimatriţei superioare. Obţinerea prin matriţare a unor piese cu rugozitate mică a suprafeţelor se cere atunci cînd de pe suprafeţele respective nu se înlătură materialul prin aşchiere. Pentru aceasta după matriţare se execută operaţia de calibrare la rece sau la cald. Pentru ca operaţia de calîbrare să decurgă în condiţii optime este necesar ca de pe semifabricatul iniţial să fîe îndepărtaţi oxizii formaţi în timpul încălzirii. 19

5. Matriţarea la ciocane Dintre utilajele folosite la matriţare, ciocanele constituie utilajul care se pretează Ia matriţarea pieselor de cele mai diferite şi complexe configuraţii (fig. 9.).

Fig. 9. Tipuri de piese realizate prin matriţare la ciocane: a - bielă; b - zală; c - fuzetă; d - ax cu came; e- arbore cotit; f - bielă; g - furcă; h – cârlig de tractate 20

În general la ciocane se matriţează piesele care prezintă schimbări mari ale secţiunii transversale sau care sunt prevăzute cu nervuri ce necesită cavităţi adînci. Dezavantajul matriţării la ciocane îl constituie îngreunarea operaţiilor de mecanizare, productivitatea redusă şi consumul ridicat de material în adaosurile tehnologice. În ceea ce priveşte procedeul de matriţare se menţionează că la ciocane datorită lipsei extractoarelor se matriţează mai mult cu bavură, iar fără bavură se matriţează numai piesele cu configuraţie simplă. Printre ciocanele care se utilizează pentru matriţare se enumera: • ciocanele obişnuite (cu sabotă), • ciocanele fără sabotă (cu contralovitură) şi • ciocanele rapide.

Fig. 10. Matriţă cu locaş finisor: 1-semifabricat laminat; 2-piesă matriţată cu bavură; 3-piesă matriţată; 4-bavură; 5-semimatriţă superioară; 6-semimatriţă

21

Piesele matriţate se realizează fie direct în cavităţi finale din semifabricate laminate (fig.10), fie tot din semifabricate laminate care anterior matriţării finale sunt supuse unor deformări prin care materialul se modelează treptat la forme apropiate de forma finală a piesei matriţate (fig. 11.). Deformarea prin care se realizează modelarea semifabricatului iniţial se numeşte preforjare. Preforjarea semifabricatului se execută cînd piesele matriţate au forme complexe (biele, fuzete, arbori cotiţi, etc). Se poate executa fie prin forjare liberă în scule cu suprafeţe plan-paralele sau profilate, fie în cavităţi speciale executate în aceeaşi matiţă cu locaşul final fie în matriţe separate. Matriţa care în afara locaşului final de matriţare mai are şi locaşuri în care se pregăteşte prin deformare semifabricatul în vederea matriţării finale se numeşte matriţa cu locaşuri multiple (fig. 11.).

Fig. 11. Matriţă cu locaşuri multiple: 1-semifabricat laminat; 2-semifabricat întins; 3-semifabricat profilat; 4-bieIă eboş; 5-bielă cu bavură; 6-semimatriţă superioară; 7semimatriţă inferioară; 8-locaş de obţinere a capului de prins îii cleşte; 9-locaş de întindere; 10locaş de profilare; 11-locaş de eboşare; 12-locaş finisor, 13-cuţit de retezare a capului de prins în cleşte; 14-locaş de prins în cleşte. 22

Formele semifabricatelor intermediare preforjate nu se aleg întâmplător. Pentru stabilirea dimensiunilor acestora se pleacă de la formele şi dimensiunile piesei matriţate şi a semifabricatului iniţial, apoi pe baza legilor deformării plastice se precizează modul cum poate H dirijată curgerea materialului astfel încât semifabricatul iniţial să fie profilat treptat într-o formă cît mai apropiată de cea a piesei matriţate.

23

5.1. Bavura şi canalul de bavura Rolul bavurii la matriţarea deschisă este de a forţa semifabricatul care se deformează să umple cavităţile matriţei şi de a colecta plusul de material provenit din diferenţa dintre volumul semifabricatului iniţial şi cel al piesei matriţate. De felul în care este conceput şi dimensionat canalul de bavura depinde în foarte mare măsură atât umplerea cavităţilor matriţei cu materialul care se deformează cât şi consumul de metal în deşeuri (bavura), precum şi modul de debavurare. Din această cauză în practică au fost concepute mai multe tipuri de canale de bavură, prezentate în figura 12.

24 Fig. 12. Tipuri constructive ale canalului de bavura

Canalul de bavura arătat în figura 12.a. reprezintă cea mai corectă formă din punctul de vedere al curgerii materialului. In acest caz materialul este strangulat la ieşirea din locaşul de matriţare pentru ca astfel să umple mai întâi cavităţile acestuia şi numai după aceea este lăsat să curgă liber în bavura. Pentru micşorarea forţelor de frecare exterioară pe care le întâmpină materialul la trecerea din matriţă în bavura ar fi necesar ca raza de rotunjire R pentru aceeaşi înălţime ca h1 să fie cât mai mică. Micşorarea, exagerată a razei R nu este posibilă din cauza supraîncălzirii pragului sau proeminenţelor canalului de bavura şi deci a uzurii premature a acestuia. La rândul său canalul de bavura cu pragurile de strangulare uzate nu mai poate forţa materialul să se deformeze să umple mai întâi cavităţile matriţei şi apoi să treacă în bavura. Din această cauză construcţia canalului de bavura conform figurii 12 .a. nu este utilizabilă datorită uzurii rapide a pragurilor de strangulare. In scopul măririi rezistenţei la uzură varianta din figura 12.a. poate fi înlocuită cu cea din figura 12.b. In cazul canalului de bavura din figura 12.b. cu cât lăţimea pragului de strangulare b1 este mai mare cu atât mai mare va fi şi rezistenţa acestuia la uzură. Pe de altă parte pe măsura creşterii lăţimii b1 creşte şi rezistenţa pe care materialul ce se deformează o întâmpină Ia trecerea din locaşul de matriţare în canalul de bavura. Având în vedere că pragul superior se găseşte mai puţin timp în contact cu materialul cald, adică se încălzeşte mai puţin şi prin urmare este supus unei uzuri mai reduse, rezultă că lăţimea b1 a acestui prag poate fi mai mică decât a pragului inferior b1 fapt ilustrat în figura 12.c. In acest fel se realizează o reducere a forţelor de frecare ce se opun trecerii materialului din matriţă în bavura şi o mărire a rezistenţei la uzură a pragurilor de strangulare. 25

Variantele din figurile 12.b şi 12.c. se întâlnesc frecvent în cazul matriţării pieselor mari sau cu configuraţii complexe, când sunt necesare bavuri mari. In comparaţie cu restul variantelor, canalele de bavura executate după variantele din figurile 12.b. şi 12.c. reprezintă canalele cele mai des întâlnite în practică, primul sub denumirea de canal cu două praguri simetrice iar ai doilea de canal cu două praguri nesimetrice. In cazul în care matriţarea pieselor nu necesită bavuri mari, pentru simplificarea construcţiei matriţei se poate utiliza varianta din figura 12.d. - numit canal cu un singur prag de strangulare. Amplasarea pragului în partea superioară determină o creştere a rezistenţei la uzură a pragului prin eliminarea fenomenului de supraîncălzire a acestuia. Canalul unilateral-varianta în figura 12.e. - se foloseşte în cazul pieselor simple şi scunde care pot fi matriţate numai în cavitatea matriţei interioare. Această variantă prezintă avantajul simplificării construcţiei matriţei, în schimb, operaţia de debavurare se execută mai greu şi uneori piesele debavurate necesită o operaţie suplimentară de polizare. Varianta din figura 12.f. numit şi canal cu două strangulări se utilizează în cazul când este necesar să fie matriţate piese cu configuraţia foarte complexă, la care umplerea cavităţilor matriţei este îngreunată. În acest caz, pentru a forţa umplerea cavităţilor locaşului de matriţare este necesar a se frâna, mai mult decât în mod obişnuit, curgerea materialului în bavură. 26

Frânarea trecerii în bavură a metalului ce se deformează se realizează în două faze. Faza întâia se realizează de către primul prag în momentul în care semimatriţele sunt mult distanţate una de alta, iar faza a doua se realizează în momentul în care semimatriţele s-au apropiat între ele, iar metalul trece peste pragul doi. De obicei, pragul al doilea nu se execută pe tot perimetrul piesei în planul de separaţie, ci numai în porţiunile în care materialul are tendinţa de a ieşi în bavură înainte de a umple cavităţile matriţei. Indiferent de varianta constructivă adoptată pentru canalul de bavură, în timpul deformării plastice, va avea Ioc o frânare a curgerii materialului în bavură ca o consecinţă a rezistenţei mari pe care o opune pragul de strangulare. Pentru ca materialul să umple toată cavitatea finală, în vederea reproducerii fidele a formei piesei matriţate, rezistenţa la curgere a materialului creată în zona pragului de strangulare trebuie să fie mai mare în prima fază a deformării semifabricatului decât rezistenţa la curgere în interiorul cavităţii finale. Se creează astfel condiţiile ca în faza în care s-a umplut cavitatea locaşului de matriţare, surplusul de material să fie evacuat în cavitatea canalului de bavură. 27

Valoarea rezistenţei la deformare în canalul de bavură se determină în funcţie de elementele geometrice h1 şi b1 ale pragului de strangulare. Pentru demonstraţie se consideră elementul volumului de material cuprins într-un moment al deformării în zona pragului de strangulare cu elementele geometrice reprezentate în figura 13. Cazul se referă la un canal de bavură de formă circulară. Scriind ecuaţia de proiecţie a forţelor pe direcţie orizontală în situaţia echilibrării elementului de volum rezultă:

 2 .h1 x.  2 3 . sin



2

h1.dx   2  d 2  . x  dx.h1.  2. 1.x. .dx

(5)

în care σ1, σ2, σ3 sunt tensiunile care acţionează din cele trei direcţii asupra elementului de volum considerat. Fig. 13. Schemă pentru stabilirea a rezistenţei la deformare a materialului în zona pragului de ştrangulare al canalului de bavură

28

Întrucât în plan orizontal deformaţia este simetrică, iar unghiul a este foarte mic se pot face următoarele ipoteze simplificatoare: σ2 = σ3 şi

sin

 2



 2

(6)

înlocuind ipotezele (6) în relaţia (5) şi desfăcând parantezele rezultă:

 2 h1 x   2h1dx   2 h1 x   2h1dx  d 2 h1 x  d 2 dxh1  2 1 xdx Efectuând reducerile de termeni asemenea şi neglijând termenul care conţine produsul infiniţilor mici se obţine:

d 2 h1 x  2 1 xdx  0

(8)

Asimilând tensiunea σ1 cu rezistenţa la curgere a materialului Rc şi separând dσ2 relaţia (8) se poate scrie sub forma: 1 (9) d 2  2Rc dx h1 Prin integrare relaţia (9) devine:

 2  2Rc

x C h1

(10) 29

Valoarea constantei de integrare C din relaţia (10) se determină pe baza condiţiilor la limita pentru care la: x = b1

rezultă

σ2 = 0

(11)

înlocuind relaţiile (11) în (10) rezultă:

C  2 R c

b1 h1

(12)

Prin înlocuirea constantei de integrare C conform relaţiei (12) în relaţia (10) expresia finală a tensiunii σ2 echivalentă cu rezistenţa la deformare a materialului în zona pragului de ştrangulare Rd va fi:

R d  2 Rc

1 b1  x  h1

(13)

Din relaţia (13) se observă cu uşurinţă că rezistenţa la deformare este nulă ( Rd = 0 ) când x = b1 adică la trecerea din zona pragului de ştrangulare în cavitatea de colectare a bavurii. Dacă însă x = 0, adică la trecerea din locaşul de matriţare în zona pragului de ştrangulare, rezistenţa la deformare Rd va avea valoare maximă conform relaţiei: b1 (14) R  2 R d

c

h1

30

Din relaţia (14) se remarcă faptul că rezistenţa la deformare Rd este cu atât mai mare cu cât înălţimea h1 a pragului de strangulare este mai mică şi cu cât lăţimea acestuia b1 este mai mare. Volumul bavurii se calculează ţinând seama pe de o parte de rolul acesteia în procesul matriţării, iar pe de altă parte de faptul că bavura nu reprezintă altceva decât un consum suplimentar de material sub formă de deşeuri. Din această cauză este necesar ca volumul bavurii să fie dimensionat la valori minime care să asigure la momentul oportun oprirea curgerii materialului în afara şi să-l forţeze să ia forma dată de cavităţile locaşului de matriţare. Volumul minim necesar bavurii se determină în funcţie de poziţia planului de separaţie şi de configuraţia piesei matriţate şi a semifabricatului. Volumul real al bavurii este întotdeauna mai mare decît volumul minim, fiind condiţionat de: a) diferenţa, de greutate sau de volum Vi a semifabricatelor datorită toleranţelor de laminare şi a celor de tăiere (debitare). In cazul semifabricatelor cilindrice această diferenţă se determină cu relaţia:

V1 



 d 4

2 max max

.l

2  d min lmin



(15)

unde d şi l reprezintă diametrul şi lungimea semifabricatului cu toleranţele pozitive şi negative; 31

a. b.

uzura abrazivă a matriţei V2, uzură care în general variază între 3 şi 5% din volumul piesei; neuniformitatea bavurii V3, neuniformitate care se datorează neconcordanţei dintre configuraţia piesei matriţate şi cea a semifabricatului, încălzirii neuniforme, aşezării dezaxate a semifabricatului în locaşul de matriţare, etc.

Din cele arătate rezultă că volumul real fiind mai mare este dat de relaţia: Vr = Vmin + V1 + V2 + V3 = Vb

(16)

Volumul bavurii Vb se calculează cu relaţia: Vb= K.Sb.Pb

(17)

în care: K este coeficientul de umplere a canalului de bavură. Valoarea acestui coeficient variază între 0,6 si 0,8 fiind cu atît mai mare cu cât piesa are o configuraţie mai complexă. Sb - suprafaţa transversală a canalului de bavură şi este dată de valorile lăţimii şi înălţimii canalului de bavură. Pb - perimetrul mediu al canalului de bavură care se determină după aceleaşi reguli ca şi centrul de greutate al figurii respective. 32

Admiţând că dimensiunile canalului de bavură sunt cele indicate în figura 13, distanţa xG de la centrul de greutate la un punct oarecare 0, adică distanţa de la linia perimetrului mediu la punctul 0 va fi dată de relaţia:

xG

Sx   S

i i i

S1 x1  S2 x2  S1  S2

(18)

în care: S1 şi S2 reprezintă suprafeţele pragului de ştrangulare şi respectiv ale canalului colector ale canalului de bavură, x1 şi x2 distanţele de Ia punctul 0 la centrul de greutate al suprafeţei S1, respectiv S2. Tinînd seama de notaţiile din figura 14 relaţia (18) se mai poate scrie: b1 h1 xG 

b1 b    2b2 h2  b1  2  2 2  b1 h1  2b2 h2

(19)

Fig. 14. Elementele dimensionale ale canalului de bavură în vederea stabilirii centrului de greutate

33

Perimetrul mediu al canalului de bavură se determină ţinându-se seama de faptul că acesta înconjoară cavitatea finală. Spre exemplu, în cazul pieselor circulare de rază R valoarea perimetrului mediu va fi:

Pb  2 R  xG 

(19)

Stabilirea dimensiunilor canalului de bavură se face ţinând seama de rolul pe care îl are bavură în procesul de matriţare. Din aceste considerente dimensiunile b1 şi h1 adică dimensiunile pragului de strangulare trebuiesc calculate în aşa fel încât să asigure împiedicarea curgerii materialului în bavură atâta timp cât cavităţile matriţei nu s-au umplut. Dimensiunile b2 şi h2 trebuie să asigure curgerea liberă a materialului din bavură începând din momentul în care acesta a trecut pragul de strangulare şi să preia în întregime plusul de material din semifabricatul respectiv. Înălţimea h1 a pragului de strangulare se modifică pe parcursul deformării, variind de la valori mari (la începutul matriţării) la valori mici spre sfârşitul acesteia. Valoarea înălţimii h1 a pragului de strangulare corespunzătoare finalului deformării se poate determina cu relaţia: h1= 0,015√Sp

[mm]

(20)

în care: Sp reprezintă suprafaţa piesei matriţate în planul de separaţie, în mm2. 34

Lăţimea b1 a pragului de strangulare se alege in funcţie de complexitatea piesei şi modul de deformare a semifabricatului în cavitatea finală. Lăţimea b1 trebuie să fie cu atât mai mare cu cât piesa are o formă mai complexă deoarece curgerea materialului în cavitate se realizează mai greu.Când semifabricatul se deformează prin refulare (fig. 15.a.) materialul curge in cavitate prin dislocare radială, umplând mai întâi întregul locaş şi numai după aceea surplusul iese in canalul de bavură. Acest fapt necesită praguri cu dimensiunea b1 redusă. Dacă deformarea se realizează cu lăţire (fig. 15.b.) materialul are în aceeaşi măsură tendinţa să umple atât cavitatea cât si canalul de bavură. Se impune deci utilizarea unor praguri cu lăţime b1 mai mare decât în primul caz. În cazul pieselor mai complexe, semifabricatele sunt uneori deformate şi prin împingerea lor (fig. 15.c.) în zone cu adâncimi mai mari.

Fig. 15. Moduri de curgere a materialului la matriţarea deschisă: a - prin refulare, b - prin lăţire, c - prin refulare şi împingere

35

Pentru umplerea acestor zone, rezistenţa la deformare Rd în pragul de ştrangulare a canalului de bavură trebuie să fie mai mare. Se impune deci utilizarea unor praguri cu lăţimea b1 mai mare. Creşterea rezistenţei la deformare în canalul de bavură este favorizată şi de răcirea mai intensă a materialului în zona pragului, faţă de restul masei semifabricatului din cavitate. După cum rezultă din cele arătate mai sus, dimensiunile canalului de bavură au un rol hotărâtor in realizarea unor curgeri corespunzătoare a materialului în cavitatea finală. In afară de aceasta, materialul cuprins între suprafeţele pragului de ştrangulare al canalului de bavură atenuează şi eventualele lovituri între suprafeţele libere din imediata apropiere a cavităţilor din semimatriţe. Pentru simplificarea calculelor, in practică se determină numai valoarea înălţimii h1 a pragului de ştrangulare conform relaţiei (21) iar restul dimensiunilor canalului de bavură se adoptă în funcţie de această valoare şi de felul deformării plastice (prin refulare, refulare şi împingere, împingere). Acest mod de lucru, deşi prezintă avantajul simplificării calculelor prezintă însă dezavantajul că nu ţine seama de configuraţia piesei atât în planul de separaţie, cit şi în cavităţile matriţei. Din această cauză volumul şi dimensiunile canalului de bavură şi ale bavurii propriu-zise obţinute prin calcul trebuiesc verificate şi corectate, dacă este cazul prin matriţările de probă executate cu ocazia omologării primului lot de piese matriţate. În cazul pieselor lungi si cu configuraţia complexă canalul de bavură poate fi executat cu dimensiuni neuniforme, adică cu volume diferite de-a lungul perimetrului piesei în planul de separaţie. în acest caz in porţiunile cu secţiune transversală variabilă, adică în locurile in care deformarea este mai pronunţată si mai ales în porţiunile în care matriţarea se produce prin împingere, materialul fiind obligat să urce, canalul de bavură trebuie să fie mai mare decât în porţiunile cu secţiune transversală uniformă în care deformarea plastică se produce prin refulare. 36