Capitol Ul 10

24
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;

description

good one

Transcript of Capitol Ul 10

Page 1: 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;

Page 2: Capitol Ul 10

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;

Page 3: Capitol Ul 10

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.

Page 4: Capitol Ul 10

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.

Page 5: Capitol Ul 10

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).

Page 6: Capitol Ul 10

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.

Page 7: Capitol Ul 10

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°).

Page 8: Capitol Ul 10

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;

Page 9: Capitol Ul 10

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

Page 10: Capitol Ul 10

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).

Page 11: Capitol Ul 10

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;

Page 12: Capitol Ul 10

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

Page 13: Capitol Ul 10

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).

Page 14: Capitol Ul 10

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.

Page 15: Capitol Ul 10

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

Page 16: Capitol Ul 10

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.

Page 17: Capitol Ul 10

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.

Page 18: Capitol Ul 10

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

Page 19: Capitol Ul 10

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.

Page 20: Capitol Ul 10

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

Page 21: Capitol Ul 10

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.

Page 22: Capitol Ul 10

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).

6

2,5

10 6

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).

Page 23: Capitol Ul 10

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

Page 24: Capitol Ul 10

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.