Capitol Ul 10
-
Upload
gabriel-ebetiuc -
Category
Documents
-
view
238 -
download
3
description
Transcript of Capitol Ul 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).
Semifabricat
Semimatriţa
superioară
Semimatriţa
inferioară
Piesa
matriţată
Inel de
bavură
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
Avantaje:
- microstructura este optimă;
212 Tehnologia forjării în matriţă – 10
- 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 de la mediu la ridicat.
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).
1 1 1
1
2
a)
=
2
2
2
3
4 5
6 6
6
6
P S
S
P
P
P
S P
P
S
S
S
b) c)
d) e)
6
f)
2
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:
1 – semimatriţă superioară;
10.2 – Proiectarea formei tehnologice a piesei matriţate 213
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:
SR=F tdt max , daN (10.1)
unde St este secţiunea transverală maximă a semifabricatului.
Lucrul mecanic de deformare se calculează cu relaţia:
VR=L dmmax , daNm (10.2)
V este volumul materialului deformat, iar
h
h= 0ln (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 gemnerale 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 dacât 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 Adaos de prelucrare Adaos tehnologic
Piesa finită Piesa matriţată DF
DE P
CE
CI
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.
10.2 – Proiectarea formei tehnologice a piesei matriţate 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 r
R
R
b
h
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, mm h/b ≤ 2 2 ≤ h/b ≤ 4 h/b > 4
r, mm R, mm r, mm R, mm r, mm R, 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
110-170 8 18 9 25 10 34
170-245 23 30 16 45 2 65
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
Materialul Raza interioară R, mm Raza exterioară r, mm
Valoare optimă Valoare minimă Valoare optimă Valoare 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
Adaos
tehnologic
Rpm Rpf
Conturul
piesei matriţate
Conturul
piesei finite
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
R1
R2
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.
10.2 – Proiectarea formei tehnologice a piesei matriţate 217
a 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
Fisuri
Deformaţii ale
muchiilor ascuţite
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).
αi
αe
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
Se face în funcţie de diametrul şi adâncimea cavitaţii (figura 10.10).
d
s
δ
h
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
d, mm
10...16 16...25 24...40 40...63 63...100 100...160 160...250 250...400
s, mm
10 1,5 2 3 4 5 6
10...16 2 3 4 5 6 8 10
16...25 4 5 6 8 10 12 16
25...40 6 8 10 12 16 20
40...63 10 12 16 20 25
63...100 16 20 25 31
100...160 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
d, mm
10...16 16...25 24...40 40...63 63...100 100...160 160...250 250...400
δ, mm
10 1,5 2 3 4 5 6
10...16 2 3 4 5 6 7 8
16...25 4 5 6 7 8 10 12
25...40 6 7 8 10 12 16
40...63 8 10 12 16 20
63...100 12 16 20 25
100...160 20 25 31
10.3 Proiectarea matriţelor de forjare
În funcţie de complexitatea şi dimensiunile piesei matriţate, pot fi utilizate
diferite variante constructive pentru matriţele de forjare:
- matriţe cu o singură cavitate;
10.3 – Proiectarea matriţelor de forjare 219
- 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. ),).
α α
α
1
3
2 1
3
2
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.
Figura 10.12 Variante de alegere a planului de separaţie pentru o piesă de formă cilindrică
220 Tehnologia forjării în matriţă – 10
La alegera poziţiei planului de separare trebuie luate în considerare
următoarele cerinţe: 1) Separarea simetrică (planele notate cu 2) asigură distibuirea 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.
Plan de
separaţie a b 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).
Piesa finită a) b)
P.S.
P.S.
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).
10.3 – Proiectarea matriţelor de forjare 221
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).
b1i
b1S
h1
b1
h1
b) a) c)
b2
b1
h1
h2
h R
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;
222 Tehnologia forjării în matriţă – 10
- 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:
pAh 015,01 , 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).
b) a)
b
h
P
b
h
P
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
Tabelul 10.5 Dimensiunile caracteristice ale canalului de bavură
h1, mm
h2,
mm
R, mm Matriţarea cu
refulare
Matriţarea cu
împingere
Matriţarea cu
refulare şi împingere Adâncimea cavităţii,
h, mm
≤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
8,0 10,0 3,0 3,5 4,0 14 38 22 55 18 46
10,0 12,0 3,0 3,5 4,0 15 40 25 60 20 50
10.3 – Proiectarea matriţelor de forjare 223
Volumul canalului de bavură Vb se calculează cu relaţia:
bbb APKV (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.
7º 5º
R5
R5 R5
Figura 10.16 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).
224 Tehnologia forjării în matriţă – 10
Cavitate
Oglindă Canal de bavură
Orificiul bolţului
pentru prindere
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;
- 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.
10.3 – Proiectarea matriţelor de forjare 225
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
a)
...
Lungimea piesei
Ari
a se
ctiu
nii
tra
nsv
ersa
le
S1 S2
S3 Sn
b)
Lungimea piesei
Ari
a se
ctiu
nii
tra
nsv
ersa
le
eV1
aV1
eV2
aV2
c)
Lungimea piesei
Dia
met
rul
sem
ifab
rica
tulu
i
d)
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.
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
226 Tehnologia forjării în matriţă – 10
axa matriţei vor fi:
LL3
11 (pentru locaşul de finisare) (10.6)
LL3
22 (pentru locaşul de eboşare) (10.7)
L
C1 C2 C
L1 L2
Locaş de eboşare Locaş de finisare
Oglinda
matriţei
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:
LFMM fe3
1 (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.
10.3 – Proiectarea matriţelor de forjare 227
Figura 10.23 Matriţă cu locaşuri multiple pentru forjarea unei biele
10.3.4 Calculul dimensiunilor de gabarit al matriţelor
În timpul proiectării matriţelor de forjare, trebuie luate în considerare
următoarele aspecte:
a) 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;
b) proiectarea dimensiunilor:
- 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;
d) luarea în considerare a toleranţele procedeelor de prelucrare.
228 Tehnologia forjării în matriţă – 10
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 A1 de
cel puţin 150 cm2 pentru o tonă din greutatea părţii căzătoare (figura 10.24).
A1
Ax
a b
locu
lui
mat
riţe
i
Ax
a l
oca
şulu
i d
e fi
nis
are
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.
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
10.4 – Particularităţile matriţării pe prese hidraulice 229
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
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.
230 Tehnologia forjării în matriţă – 10
Figura 10.26 Matriţarea unei piese după 5 direcţii: a) poziţia iniţială; b) semimatriţe închise; c) poansoane
pătrunse în material; d) poziţia finală
Figura 10.27 Matriţarea unei piese după 4 direcţii
10.5 – Particularităţile forjării metalelor şi aliajelor neferoase 231
Prelucrări similare pot fi realizate şi prin utilizarea unor dispozitive mecanice
acţionate prin intermediul cilindrului principal al presei (figura 10.28).
Figura 10.28 Matriţarea unei piese după 4 direcţii cu dispozitivare mecanică
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.
232 Tehnologia forjării în matriţă – 10
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).
3°
6
2,5
10 6
7°
16
6
25
25
80
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).
10.5 – Particularităţile forjării metalelor şi aliajelor neferoase 233
Tabelul 10.7 Forjabilitatea relativă a aliajelor de cupru
Compoziţia chimică Forjabilitate relativă, % Intervalul de forjare, °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.
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
Aliajul βt, ºC Varianta Temperatura de forjare, ºC
Ti-6Al-4V 995 C 900-980
B 1010-1065
Ti-6Al-4V ELI 975 C 870-950
B 990-1045
Ti-6Al-6V-2Sn 945 C 845-915
Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo 940 C 845-915
B 955-1010
Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr 980 C 870-955
Ti-17 (Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Cr-4Mo 885 C 805-865
B 900-970
Corona 5 (Ti-4.5Al-5Mo-1.5Cr) 925 C 845-915
B 955-1010
IMI 550 (Ti-4Al-4Mo-2Sn) 990 C 900-970
IMI 679 (Ti-2Al-11Sn-4Zr-1Mo-0.25Si) 945 C 870-925
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
234 Tehnologia forjării în matriţă – 10
evident caracteristicile mecanice, dar creşterea temperaturii peste limita βt 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
Aliajul βt, C Varianta Temperatura de
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
Ti-6Al-2Nb-1Ta-0.8Mo 1015 C 940-1050
B 1040-1120
Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo(+0.2Si) 990 C 900-975
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
IMI 829 (Ti-5.5Al-3.5Sn-3Zr-1Nb-0.25Mo-0.3Si) 1015 C/B 980-1050
IMI 834 (Ti-5.5Al-4.5Sn-4Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.4Si-0.06C) 1010 C/B 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
Aliajul Temperatura de tranziţie, C Temperatura de forjare, C
Ti-8Al-8V-2Fe-3Al 775 705-980
Ti-10V-2Fe-3Al 805 705-785
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-2Sn-11Zr) 720 650-870
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 relative
redusă până la 700°C şi creşte rapid cu creşterea temperaturii.
Pentru a reduce contaminarea suprafeţei se urmăreşte încălzirea la temperature
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.