3.5. FORJAREA

Forjarea, ca procedeu de prelucrare a materialelor metalice prin lovire sau presare, se caracterizeaz prin aceea c n timpul deformrii plastice curgerea materialului se produce liber n cel puin una din cele trei direcii posibile. Pe lng modificarea formei i dimensiunilor semifabricatului iniial prin forjare se realizeaz i mbuntirea caracteristicilor mecanice i tehnologice ale produselor obinute, piese sau semifabricate. Operaiile de baz n cazul forjrii sunt: refularea, ntinderea, gurirea, ndoirea, rsucirea i sudarea.

3.5.1. Refularea

Refularea reprezint operaia prin care se realizeaz mrirea dimensiunilor transversale ale semifabricatului n detrimentul lungimii. Aceast operaie poate fi executat la ciocane, prese sau maini orizontale, fie pe ntreaga lungime, fie numai pe una sau mai multe poriuni din lungimea semifabricatului. n cazul refulrii pe ntreaga lungime sculele folosite pot fi: plane, profilate sau mixte, iar n cazul refulrii pe una sau mai multe poriuni refularea se execut n matrie.

La folosirea sculelor plane, figura 3.72, a, datorit strii de tensiune i influenei ponderate a forelor de frecare exterioar T, neuniformitatea deformaiei, stabilitatea semifabricatului i fora P necesar refulrii au valori medii.

a b c d

Fig. 3.72. Variante de execuie a refulrii.

n cazul refulrii ntre scule profilate concav, figura 3.72, b, valorile forei P i ale neuniformitii deformaiei sunt maxime, n schimb stabilitatea lingoului sau a semifabricatului ntre cele dou scule, berbec i nicoval, este foarte bun.

Refularea ntre scule profilate convex, figura 3.72, c, conduce la micorarea forei de deformare plastic i a neuniformitii deformaiei, dar reduce stabilitatea semifabricatului pe nicoval i mrete dificultile de forjare.

La refularea ntre scule mixte, berbecul profilat i nicovala plan, figura 3.72, d, fora necesar i neuniformitatea deformaiei se micoreaz, iar stabilitatea semifabricatului se menine la valorile realizabile cu scule plane.

Refularea n matrie se ntlnete numai n cazul pieselor cu diferene mari de seciune de-a lungul axei longitudinale.

Ca aplicabilitate refularea se ntlnete n urmtoarele cazuri: - operaie prealabil n vederea guririi semifabricatelor destinate obinerii pieselor de form inelar sau tubular.

- operaie final n cazul forjrii pieselor de forma unui disc sau a pieselor scunde, cu nlimea mai mic dect diametrul.

- operaie prealabil pentru ngroarea seciunii transversale a semifabricatelor, n una sau mai multe poriuni, n vederea matririi pieselor cu diferene mari de seciune de-a lungul axei longitudinale.

Pentru ca refularea s decurg n mod normal sunt necesare a fi respectate urmtoarele condiii: - nlimea H a semifabricatului iniial s nu fie mai mare de trei diametre. Dac raportul

/ 3,0H D > semifabricatul flambeaz (se curbeaz) n timpul refulrii i necesit operaii suplimentare de ndreptare.

- nainte de refulare lingourile i semifabricatele poligonale trebuiesc rotunjite, nerespectarea acestei condiii mrete neuniformitatea deformaiei i favorizeaz apariia fisurilor i crpturilor longitudinale.

- temperatura de refulare s fie ct mai ridicat, ntruct dintre toate operaiile de forjare refularea necesit cea mai mare for.

Dup modul n care decurge deformarea plastic i dup felul strii de tensiune, refularea poate fi cu deformare uniform i tensiuni omogene sau cu deformare neuniform i tensiuni neomogene.

3.5.1.1. Refularea cu deformare uniform

Prin refulare cu deformare uniform se nelege refularea la care deformarea plastic se produce sub influena strii de tensiune omogen, adic tensiuni de acelai fel, iar gradul de deformare plastic local pe nlime l este egal cu gradul de deformare total t .

n figura 3.73 se prezint starea de tensiune la refularea cu deformare uniform, inclusiv forma i dimensiunile semifabricatului cilindric, nainte i dup refulare. Pentru ca la refulare deformarea plastic s se produc uniform este necesar ca semifabricatul s fie omogen i uniform nclzit, iar forele de frecare dintre scule i semifabricat, numite i fore de frecare exterioar, s fie nule. Datorit absenei forelor de frecare exterioar plasticitatea materialului metalic este mai mare, iar rezistena la deformarea plastic mai mic, dect n cazul prezenei acestor fore.

Fig. 3.73. Starea de tensiune i dimensiunile semifabricatului la refularea cu deformare

uniform.

3.5.1.1.1. Traiectoria particulelor de material

n cazul refulrii cu deformare uniform traiectoria pe care o parcurg particulele de material n timpul deformrii plastice poate fi determinat att teoretic ct i experimental. Teoretic se consider c la refularea unui semifabricat cilindric de la dimensiunile h0 i d0 la dimensiunile h1 i d1 deformarea plastic pe vertical z este egal cu deformarea plastic pe orizontal n direciile x i y, adic

yxz += , ceea ce rezult din legea

constanei volumelor. Valoarea deformrii plastice pe nlime z este dat de relaia:

0 1

0z

h h h

h h

= = = (3.18)

Semnul minus pentru din relaia (3.18) arat c prin deformarea plastic dimensiunea semifabricatului pe nlime se micoreaz. Pe orizontal deformarea plastic este dat de egalitatea :

1 0

1r

r r r

r r

= = (3.19)

ntruct pe orizontal deformarea plastic se produce n mod egal n dou direcii nseamn c

1

2r =

Pentru omogenizarea notaiilor nlimea h se va nota cu Z, deformarea pe nlime h cu zU i deplasarea pe orizontal r cu rU .

innd seama c z = i 21

=r rezult:

z zU Z Z = = i (3.20)

1

2r rU r r = = (3.21)

Distanele dz i dr pe care particulele elementare le parcurg n timpul dt, n direciile vertical i orizontal, sunt date de relaiile:

zdz V dt= (3.22)

rdr V dt= (3.23)

Vitezele de deplasare a particulelor elementare n cele dou direcii se determin

cu ajutorul relaiilor: zzU

Vt

= i t

UV rr = n care valorile lui zU i rU sunt cunoscute.

nlocuind n relaiile (3.22) i (3.23) pe zV i rV cu valorile de mai sus se obine:

zU dt

dzt

= i (3.24)

rU dt

drt

= (3.25)

Din relaiile (3.24) i (3.25) rezult c:

z r

dz dr

U U= sau

2dz dr

Z r =

adic

2dz dr

Z r = (3.26)

Dup integrare ecuaia (3.26) devine:

ln ln 2 ln lnZ C r C + = + , de unde,

2

CZ

r= (3.27)

Ecuaia (3.27) ne indic drumul parcurs de particulele de material, inclusiv fibrajul, n cazul refulrii cu deformarea uniform i demonstreaz c n timpul deformrii plastice particulele de material se deplaseaz dup o familie de curbe hiperbolice, care tind s devin asimptotice la axa o-x, figura 3.74. Excepie de la traiectoriile indicate n figura 3.74 o fac particulele ce se gsesc pe axele de simetrie i la intersecia acestor axe, inclusiv particulele de pe suprafeele de contact dintre semifabricat i scule.

3.5.1.1.2. Suprafaa transversal

Matematic deplasarea unei particule oarecare, respectiv creterea razei de la 0r la

1r , n cazul refulrii cu deformare uniform, se poate determina innd seama de legea constanei volumelor, adic:

2 20 0 1 1V r h r h = = , de unde:

01 0

1

hr r

h= sau 1 0r Kr=

Cunoscnd valoarea razei 1r , dup refulare, n funcie de valoarea razei iniiale

0r , deformarea absolut n direcie radial se poate stabili cu relaia:

Fig. 3.74. Traiectoria particulelor de material n cazul refulrii cu deformare uniform.

1 0 0 0r r r r K r = = sau

( )0 1r r K = (3.28)

Dac din formula gradului de deformare plastic, 0 1

0

h h

h

= , se scoate raportul

0

1

h

h, dup efectuarea nlocuirilor necesare, se obine ecuaia de interdependen dintre

gradul de deformare plastic i suprafaa frontal a semifabricatului, adic:

01

11

r r

=

(3.29)

Din ecuaia (3.29) rezult c, n cazul refulrii cu deformare uniform, majorarea suprafeei transversale depinde n exclusivitate de raza iniial i gradul de deformare plastic.

n direcie tangenial deformarea absolut echivaleaz cu creterea perimetrului p, i se calculeaz cu relaia:

( )1 0 1 02p p p r r = = sau

2p r = (3.30)

n relaiile de mai sus p i r reprezint perimetrul i raza semifabricatului.

3.5.1.2. Refularea cu deformare neuniform

Cauzele deformrii plastice cu valori diferite de-a lungul celor dou axe ale semifabricatului, ndeosebi n direcie longitudinal, sunt: frecarea exterioar, care modific starea de tensiune, neomogenitatea chimic i structural a materialului metalic i diferena de temperatur din interiorul semifabricatului. ntruct n condiii industriale forele de frecare exterioar nu pot fi anulate, iar deformarea plastic se realizeaz sub influena strii de tensiune neomogen, adic tensiuni de semne diferite, rezult c n aceste condiii refularea se produce cu deformare neuniform. Consecinele refulrii cu deformare neuniform constau n micorarea deformabilitii materialului metalic i a proprietilor mecanice ale pieselor obinute prin refulare. Uneori din cauza strii de tensiune neomogen, creat de forele de frecare exterioar, materialul metalic i distruge integritatea chiar n timpul deformrii plastice. Evident c aceste consecine sunt cu att mai pronunate cu ct sunt mai mari valorile neuniformitii deformaiei, adic diferena dintre valorile maxime i minime ale deformrii plastice de-a lungul aceleiai axe.

3.5.1.2.1. Neuniformitatea deformaiei

Pentru stabilirea neuniformitii deformaiei pot fi folosite mai multe metode printre care: metoda urubului introdus excentric, metoda tifturilor, metoda reelei rectangulare, .a.

Dintre metodele enumerate cea mai indicat este metoda urubului introdus excentric. Aceast metod const n introducerea unui urub ntr-o epruvet cilindric,

urmat de refulare. urubul trebuie s fie astfel introdus nct filetul acestuia s treac prin axa longitudinal a epruvetei, figura 3.75. Dup refulare, n condiiile dorite, epruveta se secioneaz longitudinal n aa fel inct planul de secionare s treac prin axa urubului i a epruvetei, planul A-A, figura 3.75, a.

a b

Fig. 3.75. Epruvet cu urub introdus excentric: a- desenul de execuie; b- epruveta refulat i secionat.

Avnd cunoscute pasul iniial 0p i pasurile dup refulare 1p de pe axa

longitudinal a epruvetei, deformaiile locale, n zona fiecrui pas, pot fi calculate cu relaia:

0 1

0

100lp p

p

= (3.31)

Cunoscnd deformrile locale din zona fiecrui pas neuniformitatea deformaiei se poate calcula cu relaia:

lM lm = (3.32)

n relaia (3.32) lM reprezint

deformarea local maxim, punctul c din figura 3.76, iar lm - deformarea local minim, punctele a sau e din aceeai figur. Din figura 3.76 se observ c valorile deformrii locale cresc continuu de la capetele epruvetei, punctele a i e, spre mijlocul inlimii acesteia, punctul c. n punctele b i d deformarea local l devine egal cu deformarea general g , deformare care se calculeaz pe baza nlimii iniiale i finale a epruvetei i care teoretic ar trebui s fie egal cu deformarea medie. De asemenea punctul c ar trebui s se gseasc la mijlocul nlimii epruvetei. n realitate, din cauza forelor de frecare exterioar, care nu

Fig. 3.76. Variaia deformrii locale pe nlimea epruvetei.

ntotdeauna sunt egale la ambele capete ale epruvetei, precum i a temperaturii, care poate fi diferit pe nlimea epruvetei, punctele b i d nu marcheaz n toate cazurile valoarea medie a gradului de deformare plastic, iar punctul c nu se gsete ntotdeauna la jumtatea nlimii epruvetei. Abaterile de la regulile de mai sus sunt nesemnificative. innd seama c deformarea local n cazul figurii 3.76 variaz de la a la c sau de la e la c neuniformitatea deformaiei n acest caz se calculeaz cu una din formulele:

c a = , sau c e =

Pe orizontal neuniformitatea deformaiei poate fi determinat innd seama c volumul deplasat pe vertical este egal cu volumul deplasat pe orizontal, adic:

z x y = + sau 2z r =

Din cele de mai sus rezult c n direcie radial neuniformitatea deformaiei este de dou ori mai mic dect n direcie vertical. Ca valoare absolut deformaiile locale sunt mai mari n zona central a semifabricatului i mai mici spre periferia acestuia. Excepie de la aceast regul o fac zonele din imediata apropiere a suprafeelor de contact dintre semifabricat i scule. n figura 3.77 se prezint epura deformrilor locale n direcie vertical, partea din stnga, i n direcie orizontal, partea din dreapta. n zonele din apropierea suprafeelor de contact cu sculele, din cauza forelor de frecare exterioar i a trecerii suprafeei laterale n suprafa de contact, valoarea deformrilor locale se mrete pe msura deprtrii de axa semifabricatului. Comparativ cu influena forelor de frecare exterioar, influena diferenei de temperatur i a neomogenitii chimice i structurale a materialului metalic asupra neuniformitii deformaiei la refulare este mult mai mic, practic neglijabil.

3.5.1.2.2. Trecerea suprafeei laterale n suprafa de contact

Spre deosebire de refularea cu deformare uniform, la care mrirea suprafeelor de contact dintre semifabricat i scule se produce numai prin ntindere, la refularea cu deformare neuniform suprafeele de contact se mresc parial prin ntindere i restul prin trecerea suprafeei laterale n suprafa de contact.

Experimental trecerea suprafeei laterale n suprafa de contact poate fi pus n eviden prin mai multe metode, dintre care cele mai uzuale sunt: marcarea unor semne pe suprafaa lateral a epruvetei sau vopsirea cu alt culoare a uneia din cele dou suprafee, de regul a suprafeei frontale.

n figura 3.78 se prezint modul de punere n eviden a trecerii suprafeei laterale n suprafa de contact prin marcarea unor puncte pe suprafaa lateral a epruvetei.

Fig. 3.77. Epura deformrilor locale.

Din figura 3.78, a, se observ c la refularea cu frecare exterioar mare, =1 max, trecerea suprafeei laterale n suprafa de contact devine vizibil chiar de la nceputul refulrii, adic la 30% < . La %30= unul din punctele de pe suprafaa lateral, punctul de la captul epruvetei, a ajuns pe suprafaa frontal i s-a distanat de marginea epruvetei cu civa milimetrii. Pe msura creterii gradului de refulare a crescut i ponderea suprafeei laterale care s-a transformat n suprafa de contact. La 70% = aproximativ jumtate din suprafaa lateral s-a transformat n suprafa de contact.

Fig. 3.78. Trecerea suprafeei laterale n suprafa de contact.

Micornd coeficientul de frecare exterioar se micoreaz i ponderea cu care suprafaa lateral trece n suprafa de contact, figura 3.78, b, iar la valori foarte mici ale coeficientului de frecare exterioar, valori apropiate de zero, trecerea suprafeei laterale n suprafa de contact devine imperceptibil, figura 3.78, c. ntruct ponderea cu care suprafaa lateral trece n suprafa de contact este proporional cu gradul de deformare plastic i coeficientul de frecare exterioar, la prima vedere, s-ar prea c ambii factori constituie cauza acestui proces. n realitate singura cauz a trecerii suprafeei laterale n suprafa de contact o constituie coeficientul, respectiv forele, de frecare exterioar. Astfel la 0= neuniformitatea deformaiei i ponderea trecerii suprafeei laterale n suprafa de contact sunt nule, indiferent de valoarea gradului de deformare plastic.

n figura 3.79 se prezint comparativ deplasarea particulelor de material n timpul refulrii cu deformare uniform, partea din stnga, i cu deformare neuniform, partea din dreapta.

Din figura 3.79 se observ c n cazul refulrii cu deformare uniform traiectoria particulelor de material, inclusiv a fibrajului, tinde s devin asimptotic la axa 0x, iar la refularea cu deformare neuniform aceast traiectorie nu numai c devine asimptotic la axa 0-x, dar la un moment dat ncepe s se orienteze n sens opus sensului n care acioneaz forele de deformare plastic.

Pe lng modificarea fibrajului trecerea suprafeei laterale n suprafa de contact modific i forma semifabricatului, inclusiv modul de cretere a suprafeei de contact

321 >>

32 >

3

dintre semifabricat i scule. n acest caz suprafaa lateral se curbeaz iar suprafeele de contact se mresc parial prin ntindere i restul prin aportul dat de suprafaa lateral. n figura 3.80. se prezint curbarea suprafeei laterale i modul de cretere al suprafeei frontale i al celor patru raze caracteristice, care apar n cazul refulrii cu deformare neuniform. Datorit coeficientului, respectiv forelor, de frecare exterioar la refularea cu deformare neuniform suprafaa frontal crete prin ntindere de la r0 la r1 i prin aportul dat de suprafaa lateral de la r1 la r2. Raza medie r3, obinut prin calcul pe baza legii constanei volumelor, se situeaz ntre raza maxim r4 i raza suprafeei frontale r2. Raportul dintre diferenele de raze, adic raportul a/b, este invers proporional cu coeficientul de frecare exterioar i indic gradul de neuniformitate a deformrii plastice. Trecerea suprafeei laterale n suprafa de contact, nsoit de modificarea traiectoriei particulelor de material i a fibrajului, se rsfrnge negativ asupra calitii produselor obinute prin forjare.

3.5.1.2.3. Starea de tensiune

n cazul refulrii efectuat n condiii industriale simultan cu fora P, necesar deformrii plastice, asupra semifabricatului acioneaz i forele de frecare exterioar T, fore care se opun deformrii plastice i care conduc la apariia strii de tensiune neomogen i variabil din punctul de vedere al valorii i ponderii dintre tensiunile de comprimare i ntindere. n figura 3.81 se prezint forele care acioneaz asupra semifabricatului n timpul refulrii cu frecare exterioar, precum i strile de tensiune. Datorit forei P n interiorul semifabricatului se creeaz tensiunea 1 sub a crei influen se produce deformarea plastic. La rndul lor forele de frecare exterioar T, de pe suprafeele de contact cu sculele, dau natere tensiunilor 2 i 3 , care se opun deformrii plastice. Valoarea tensiunilor 2 i 3 , este proporional cu forele de frecare exterioar i se diminueaz pn la anulare pe msura deprtrii de suprafeele de contact

Fig. 3.80. Modificarea formei suprafeei laterale i a valorii razelor caracteristice.

Fig. 3.79. Deplasarea particulelor de material n timpul refulrii cu deformare uniform i neuniform.

Fig. 3.81. Forele i tensiunile care acioneaz n timpul refulrii cu deformare neuniform

dintre semifabricat i scule i apropierii de suprafeele laterale ale conurilor ABC i A'B'C'. Sub influena celor trei tensiuni, toate trei de comprimare, n interiorul celor dou conuri, cu unghiul la vrf de 90o, se creeaz starea de tensiune S1, stare n care deformarea plastic poate avea loc numai dac este ndeplinit condiia:

1 3c + (3.33)

n ecuaia (3.33), c reprezint limita de curgere a materialului metalic supus refulrii, iar tensiunea 3 , proporional cu forele de frecare exterioar, este egal cu 2 , deoarece la refulare, cu mici excepii, forele de frecare exterioar n cele dou direcii, x i y, sunt egale ntre ele. ntruct tensiunea 1 este egal cu raportul dintre fora necesar deformrii plastice i suprafaa frontal a semifabricatului, adic AP /1 = , rezult c n interiorul celor dou conuri rezistena la deformarea plastic este mai mare dect limita de curgere a materialului metallic. Din aceast cauz n timpul refulrii cele dou conuri, numite i conuri, sau zone, de deformare ngreunat, ptrund n semifabricat ca dou corpuri rigide, sau dou corpuri strine. Rezistena la deformarea plastic, respectiv rigiditatea celor dou conuri, este maxim la suprafaa de contact dintre semifabricat i scule i scade pe msura deprtrii de baza conurilor i apropierii de suprafaa lateral. Deoarece pe suprafaa lateral a conurilor tensiunile 2 i 3 se anuleaz fora P se descompune n componentele Pn, Po i Pv , iar n afara conurilor starea de tensiune S1, se transform n S3 figura 3.81. Prezena strii de tensiune S3, respectiv a tensiunilor de ntindere n direcie radial, n exteriorul celor dou conuri, poate fi pus n eviden i pe cale experimental, figura 3.82. n figura 3.82 se prezint seciunea longitudinal printr-o prob n care au fost introduse dou tifturi i care a fost refulat de la H0/D0 = 1,5 la H1/D1 = 1,0.

Din figura 3.82 se observ c n timpul refulrii, la mijlocul nlimii epruvetei, adic n afara conurilor de deformare ngreunat, spaiile dintre tifturi i epruvet s-au deschis. Deschiderea spaiilor dintre tifturi i epruvet se datoreaz n exclusivitate tensiunilor de ntindere n direcie radial, adic tensiunilor 2 i 3 , din componena strii de tensiune S3 , figura 3.81.

Fig. 3.82. Seciune longitudinal prin epruveta refulat.

ntruct n cadrul strii de tensiune S3 condiia de deformare plastic este dat de relaia :

1 3c (3.34)

rezult c n afara conurilor de deformare ngreunat rezistena la deformarea plastic este mai mic dect n interiorul acestor conuri. Datorit diferenei dintre valorile rezistenei la deformarea plastic, n interiorul i n afara conurilor de deformare ngreunat, deformarea se produce neuniform, mai mult la mijlocul nlimii epruvetei sau semifabricatului i mai puin la capete. Rezistena la deformarea plastic n interiorul conurilor ABC i A'B'C' fiind cu att mai mare cu ct sunt mai mari forele, respectiv coeficientul, de frecare exterioar rezult c i neuniformitatea deformaiei este proporional cu valoarea coeficientului de frecare exterioar.

3.5.1.2.4. Cile de reducere a neuniformitii deformaiei

n condiii industriale neuniformitatea deformaiei la refulare poate fi redus prin: micorarea coeficientului de frecare exterioar i a diferenei de temperatur din interiorul semifabricatului, inclusiv folosirea sculelor mixte sau refularea n pereche. Micorarea coeficientului de frecare exterioar se realizeaz prin prelucrarea suprafeelor active ale sculelor la un grad de rugozitate redus i meninerea sculelor n aceast stare. Uneori se recurge i la folosirea unui lubrifiant. Reducerea diferenei de temperatur n interiorul semifabricatului necesit ca acesta s fie uniform nclzit, iar sculele s fie prenclzite la o temperatur ct mai apropiat de temperatura de revenire a oelului din care sunt executate sculele.

n cazul refulrii cu scule mixte, adic nicovala plan i berbecul profilat, conic sau sferic, figura 3.83, forele P i T se descompun i dau natere componentelor P0 i T0 care fiind de sens contrar diminueaz rezultanta pe orizontal i reduc neuniformitatea deformaiei. Pentru ca deformarea plastic s se produc n mod egal pe ntreaga nlime a semifabricatului refularea cu scule mixte se execut n trepte i cu rsturnarea semifabricatului dup fiecare treapt. n acest fel ambele capete ale semifabricatului ajung n contact att cu berbecul ct i cu nicovala. La refularea n pereche n prima faz semifabricatele se refuleaz individual, figura 3.84, a, i dup aceea se suprapun i se refuleaz n pereche, figura 3.84, b i c. La prima refulare n pereche zonele de deformare ngreunat de la unul din capetele semifabricatelor se anuleaz. n continuare semifabricatele se rostogolesc cu 180o, sau i schimb locul ntre ele, i se refuleaz tot n pereche, figura 3.84, d i e. Dup cea de a doua refulare n pereche se anuleaz i zonele de deformare ngreunat de la cel de al doilea capt al

Fig. 3.83. Refularea cu scule mixte.

semifabricatelor. n acest fel deformarea plastic pe nlimea semifabricatelor devine mai uniform, comparativ cu deformarea care se obine la refularea individual.

a b c d e

Fig. 3.84. Refularea n pereche.

n cazul refulrii n pereche se recomand ca gradele de refulare parial s fie calculate cu relaiile:

2

01 '

1

9

10

H

H

+= = , i (3.35)

'1

21

10

9

H

H

= =

+ (3.36)

Semnificaia notaiilor din relaiile (3.35) i (3.36) rezult din figura 3.85, iar

1

0

H

H= reprezint gradul total de refulare.

Fig. 3.85. Stadiile II i III la refularea n pereche.

Avnd n vedere c:'

0 0 1'

1 1 1

H H H

H H H = = i inand seama de ecuaiile (3.35) i (3.36)

rezult:

1 2 = (3.37)

n figura 3.86 se

prezint valorile deformrilor pariale, 1=/2 sau 2=/1 n funcie de valoarea deformrii totale. De reinut c n condiii industriale, prin mijloacele de mai sus, neuniformitatea deformaiei se reduce dar nu se anuleaz.

3.5.1.3. Comportarea defectelor de material n timpul refulrii

Pe lng dezavantajul neuniformitii deformaiei, cu consecine negative asupra proprietilor mecanice ale produselor obinute prin refulare, starea de tensiune neomogen influeneaz negativ i asupra proceselor de nchidere i sudare a defectelor de material sudabile.

Modul n care se comport defectele de material, de genul discontinuitilor, n timpul refulrii cu deformare neuniform, rezult din figura 3.87, n care se prezint trei epruvete din oel cu D0 = 75 mm i H0 = 150 mm, gurite axial cu un burghiu de 5 mm, i secionate dup ce au fost refulate cu grade diferite. Pentru realizarea gurii cu diametrul de 5 mm i lungimea de 150 mm s-au folosit alte epruvete mai scurte i mai subiri, care dup gurirea cu burghiul de 5 mm s-au introdus prin fretare n epruvetele analizate.

Din figura 3.87 se observ c n cazul refulrii epruvetelor sau semifabricatelor cu

raportul H/D > 1,0 n timpul deformrii plastice cu pn la H1/D1 1,0 defectele din zona central se deschid, iar la H1/D1 < 1,0 se nchid. n apropierea suprafeelor de contact cu sculele defectele din zona axial rmn deschise i la H1/ D1 < 1,0.

Gradul de deschidere i de nchidere a defectelor de material, exprimat prin raportul dintre diametrul iniial i final al defectului, n cazul epruvetelor cu H0/D0 = 2,0 i al defectului cu D0/d0 = 15, n funcie de gradul de refulare, sau de raportul H1/D1, rezult din figura 3.88. Din figura 3.88, a se observ c n cazul epruvetelor sau semifabricatelor cu raportul H0/D0=2,0 i D0/d0 = 15, nchiderea defectelor axiale ncepe la = 38 - 40% i se finalizeaz la =55- 58%. n funcie de raportul H1/D1 , pentru semifabricatele cu

a b c

Fig. 3.87. Deschiderea i nchiderea defectelor de material n timpul refulrii: a- = 40%; b- = 50%; c- = 60%.

Fig. 3.86. Nomogram pentru stabilirea gradelor de

deformare plastic la refularea n pereche.

raportul H0/D0 = 2,0 , nchiderea defectelor ncepe la H1/D1 0,9 i se termin la H1/D1 0,5, figura 3.88, b.

a b

Fig. 3.88. Deschiderea i inchiderea defectelor cu rapoartele H0/D0=2,0 i D0/d0=15 [22]: a- n funcie de gradul de refulare; b- n funcie de raportul H1/D1.

Prin modificarea raportului H0/D0 se modific i gradul de refulare necesar

nchiderii defectelor, figura 3.89. n figura 3.89 se prezint interdependena dintre gradul de nchidere a defectelor

axiale din epruvetele cu valori diferite ale raportului H0/D0 n funcie de gradul de refulare, figura 3.89, a, inclusiv raportul H1/D1, figura 3.89, b. Ca i n cazul figurii 3.88 diametrul defectelor a fost de 5 mm, iar al epruvetelor de 75 mm.

a b

Fig. 3.89. Deschiderea i nchiderea defectelor axiale [22]: a- n funcie de gradul de refulare; b- n funcie de raportul H1/D1.

Aa cum rezult din figura 3.89, pe msura micorrii raportului H0/D0 se micoreaz i valoarea gradului de refulare necesar nchiderii defectelor de genul discontinuitilor de material. Se observ c, n toate cazurile, indiferent de dimensiunile iniiale ale probei sau semifabricatului, defectele din zona axial se deschid n timpul refulrii cnd raportul dintre nlime i diametru este supraunitar i se nchid cnd acest raport devine subunitar.

Deschiderea defectelor la raportul H/D>1,0 i nchiderea acestora la H/D

ABC i ABC nu ajung n zona central, iar deformarea plastic din aceast zon se produce sub influena strii de tensiune S3, fapt pentru care, din cauza tensiunilor de ntindere radial 2 i 3 , defectele se deschid. Prin micorarea nlimii semifabricatului, n timpul refulrii, se micoreaz i zona n care acioneaz starea de tensiune S3 i se mrete zona conurilor, care la H/D1,0 ; b- H/D=1,0 ; c- H/D

Fig. 3.92. Crpturi aprute la refulare.

au fost introduse prin fretare, fie c s-au micorat, fie c au rmas la valorile iniiale, iar n zona periferic s-au deschis . nchiderea discontinuitilor din zona central i deschiderea celor din apropiere de periferie arat c zona central s-a deformat plastic sub influena tensiunilor de comprimare, starea de tensiune fiind S1, iar zona periferic sub influena tensiunilor de comprimare i ntindere, starea de tensiune fiind S3. predominante fiind tensiunile de ntindere. Prezena tensiunilor de ntindere, i a strii de tensiune S3, n zona periferic rezult mult mai clar din figura 3.92, n care se prezint aspectul macroscopic al unei epruvete care a crpat n timpul refulrii. Avnd n vedere ponderea zonelor n care sunt prezente strile de tensiune S1 i S3, precum i influena negativ a strii de tensiune S3 asupra plasticitii i a tendinei de deschidere a defectelor de material, rezult c operaia de refulare nu este indicat pentru piesele i semifabricatele la care dup efectuarea acestei operaii raportul H1/D1 rmne supraunitar, iar refularea nu este urmat de ntindere la coroiaje de cel puin 2,0. De asemenea refularea nu este indicat n cazul semifabricatelor cu defecte de suprafa.

3.5.1.4. Mrimea utilajului

a. Mrimea presei. n cazul folosirii preselor se consider c fora necesar refulrii trebuie s ndeplineasca condiia:

P p A= (3.38)

n care: p reprezint presiunea necesar deformrii plastice, iar A aria suprafeei frontale a semifabricatului. Valoarea presiunii p i a forei P rezult din analiza tensiunilor care acioneaz n timpul refulrii asupra unui element de volum infinit mic dintr-un semifabricat cilindric, figura 3.93.

Din figura 3.93 se observ c asupra elementului de volum infinit mic acioneaz, n condiii de echilibru, tensiunea 1 n direcie axial i tensiunile 2 i 3 n direciile radial i tangenial. Din cele trei tensiuni 1 se datoreaz forei de refulare P, iar 2 i

3 - forelor de frecare exterioar T. Suprafeele asupra crora acioneaz cele trei tensiuni

sunt: suprafaa lateral interioar hx , suprafaa lateral exterioar ( )h x dx + , suprafaa radial hdx i suprafaa frontal xdx .Cunoscnd suprafeele elementului infinit mic, inclusiv tensiunile care acioneaz pe aceste suprafee i proiectnd pe axa x - x forele care sunt prezente n timpul refulrii, cu condiia ca suma acestor fore s fie egal cu zero, se obine ecuaia de echilibru:

( ) ( )2 2 2 32 sin 2 02h x dx hx d hdx T

+ + = (3.39)

n relaia (3.39), componenta tensiunii 3 pe

direcia x x are expresia 3 sin 2

, pentru fiecare din

cele dou suprafee radiale. Avnd n vedere c unghiul este infinit mic

se poate admite c 22

sin

= , iar valorile acestui

unghi n grade i radiani sunt egale. innd seama i de faptul c deformarea plastic pe orizontal, n direciile x - x i y - y, este aceeai se poate aprecia c i tensiunile 2 i 3 sunt egale. n acest context ecuaia (3.39) poate fi scris sub forma:

( ) ( )2 2 2 2 2h x dx hx d hdx T + + = (3.40) nlocuind pe T cu valoarea sa real, adic

'cT dA = i pe dA cu xdx , se obine :

2 2 2 2 2 2 'chx hdx hx d hx hdx xdx + = , de unde rezult:

2 2 'cd dxh

= (3.41)

n ecuaia (3.41) 'c reprezint limita de curgere a materialului metalic, iar - coeficientul de frecare exterioar. innd seama c n ecuaia (3.41) numai x este variabil prin integrare se obine :

2 2 'c x Ch

= + (3.42)

Valoarea constantei C rezult din condiia de limit pentru 2

drx == , la care

influena forelor de frecare exterioar se anuleaz i pentru care 02 = . n acest caz constanta de integrare este :

'cd

Ch

=

Introducnd valoarea constantei C n ecuaia (3.42) rezult:

2 ' 2 'c cd xh h

= (3.43)

Cunoscnd c pentru un element de volum infinit mic fora necesar deformrii plastice este dat de relaia:

1dP dA=

Fig. 3.93. Forele i tensiunile care acioneaz n timpul refulrii.

0

i admind c suprafaa elementului infinit mic este egal cu xdx2 rezult c:

2 10 2d

P xdx = (3.44)

n condiiile strii de tesiune S1, v. figura 3.81, valoarea tensiunii 1 este dat de relaia: 1 3'c = + , sau 1 2'c = + , deoarece 23 =

Introducnd valoarea tensiunii 1 n ecuaia (3.44) aceasta se transform n:

( )2 20 ' 2d

cP xdx = (3.45) nlocuind pe 2 din ecuaia (3.45) cu valoarea sa din ecuaia (3.43) se obine:

2

02 ' 2 ' '

d

c c cP x d xdxh h

= +

, de unde:

1

' 13c

dP A

h = +

(3.46)

n ecuaia (3.46) A, d i h reprezint : suprafaa frontal, diametrul i nlimea semifabricatului dup refulare, = 0,25...0,35 reprezint coeficientul de frecare exterioar i 'c - limita de curgere a materialului metalic la temperatura de refulare. Avnd n vedere c, dintre toate operaiile de forjare, refularea necesit cea mai mare for se recomand ca temperatura de refulare s fie ct mai apropiat de valoarea maxim din intervalul temperaturilor de deformare plastic la cald.

b. Mrimea ciocanului. n cazul folosirii ciocanelor mrimea acestora, exprimat prin greutatea prii cztoare, se calculeaz pe baza egalitii dintre energia de lovire dezvoltat de ciocan i lucrul mecanic consumat pentru deformarea plastic. Cunoscnd c energia de lovire a ciocanului este dat de relaia

2

2cGV

Eg

= (3.47)

iar lucrul mecanic de relaia :

1 1

0 0

'h h

u m mh h

dhL p Adh p V

h= = , sau

0

1

' lnu mh

L p Vh

= (3.48)

din condiia:

2

0

1

' ln2 m

hGVp V

g h =

rezult:

02

1

2'lnm

hgG P V

V h= (3.49)

ntruct la o lovitur de ciocan gradul de deformare plastic este relativ mic se

poate aproxima c =

=0

10

1

0lnh

hh

h

h. n acest caz ecuaia (3.49) poate fi scris sub

forma:

2

2'm

gG P V

V

= (3.50)

n ecuaiile (3.49) i (3.50) G reprezint greutatea prii cztoare a ciocanului n daN, V - viteza de impact (V = 6 8 m/s), - randamentul ciocanului ( = 0,8 0,9), pm - presiunea medie de deformare plastic, n daN/mm

2 , V' - volumul semifabricatului n cm3, h0 i h1 - nlimea iniial i final a semifabricatului la o lovitur de ciocan, n cm, i g- acceleraia gravitaional. Pentru stabilirea presiunii medii se recomand urmtoarea formul empiric:

2 1

3 2m f ip p p

= +

(3.51)

n care pi i pf reprezint presiunile reale de la nceputul i sfritul refulrii semifabricatului, presiuni care se calculeaz cu formula:

1

' 13c

dp

h = +

(3.52)

n formula (3.52) 'c , , d i h au aceeai semnificaie ca i n formula (3.46), cu condiia ca pentru pi s se adopte valorile de la nceputul refulrii semifabricatului, iar pentru pf cele de la sfritul refulrii. Pentru simplificarea calculelor n literatura de specialitate se ntlnesc i nomograme de interdependen dintre dimensiunile semifabricatului i mrimea utilajului, figura 3.94.

Din figura 3.94. rezult c pentru un semifabricat care dup refulare are dimensiunile d = 300 mm i h = 180 mm este necesar un ciocan cu greutatea prii cztoare de 20 kN.

3.5.2. ntinderea

Operaia de ntindere prin forjare se execut att pentru modificarea formei i dimensiunilor lingourilor sau semifabricatelor, ct i pentru mbuntirea proprietilor mecanice i tehnologice ale materialelor metalice. n cele mai multe cazuri scopul

Fig. 3.94. Interdependena dintre dimensiunile

semifabricatului i mrimea ciocanului.

Fig. 3.95. Modificarea dimensiunilor semifabricatului n timpul forjrii.

principal al efecturii operaiei de ntindere l constituie mbuntirea proprietilor mecanice i tehnologice ale produselor, piese sau semifabricate, obinute prin deformare plastic la cald. Calitatea produselor obinute, productivitatea i preul de cost sunt sensibil influenate de: forma sculelor folosite i parametrii termomecanici de forjare. Din punctul de vedere al formei sculele, adic berbecul i nicovala, acestea pot fi: plane, profilate sau mixte.

3.5.2.1. ntinderea ntre scule plane

La ntinderea prin forjare sculele de form plan se folosesc att pentru modificarea formei i dimensiunilor lingoului sau semifabricatului, ct i pentru mbuntirea proprietilor mecanice i tehnologice ale produselor obinute. Ca domeniu de aplicabilitate sculele plane pot fi folosite n toate cazurile, indiferent de forma piesei sau a seciunii transversale a semifabricatului, ptrat, poligonal sau rotund. Spre deosebire de sculele plane cele profilate sau mixte se folosesc numai la forjarea semifabricatelor cu seciunea transversal rotund. n schimb, n cazul forjrii semifabricatelor cu seciunea transversal rotund, productivitatea obinut cu scule profilate sau mixte este mai mare dect cea obinut cu scule plane.

3.5.2.1.1. Modificri dimensionale

Modificrile dimensionale se refer la evoluia dimensiunilor seciunii transversale a lingourilor i semifabricatelor n timpul forjrii i reprezint principalul factor de influen asupra calitii i productivitii, realizabile la forjarea cu acelai utilaj.

a. Limea medie. n cazul forjrii pe o latur lirea semifabricatului se produce inegal, mai mult la mijlocul poriunii prinse ntre scule, planul II, i mai puin la capetele poriunii, planurile I i III, figura 3.95. ntruct curba de variaie a lirii este asimetric limea medie nu este egal cu semisuma valorilor maxime i minime. Din aceast cauz limea medie se stabilete pe baza constanei volumelor. Notnd cu n numrul de prinderi ale semifabricatului ntre scule i cu V volumul total al semifabricatului, volumul V al poriunii care se deformeaz la o lovitur de ciocan, sau o curs de pres, este dat de relaia:

'V

Vn

= (3.53)

Fig. 3.96. Dimensiunile seciunii transversale

nainte i dup forjarea pe o latur.

Dup deformarea plastic volumul V', cuprins ntre scule, este dat de relaia

111 hblV = , de unde rezult c:

11

1 lh

'Vb = (3.54)

n relaia (3.54) b1 reprezint limea medie, iar h1 i l1 nlimea i lungimea semifabricatului cuprins ntre scule, dup forjarea pe o latur. Valoarea dimensiunilor h1 i l1 se determin prin msurare.

b. Suprafaa transversal. n timpul forjrii ntre scule plane simultan cu lirea semifabricatului are loc i alungirea, fapt pentru care suprafaa transversal dup forjarea pe o latur este mai mic dect suprafaa iniial, adic 01 AA < . Folosind notaiile din

figura 3.96 inegalitatea 01 AA < se transform n IIIIVIIII AAAAA +

Fig. 3.97. Variaia coeficientului n funcie

de raportul l0/b0.

2

0 0

0 0

0,14 0,36 0,054l l

b b

= +

(3.59)

De remarcat c n relaia (3.59) i figura 3.97 singurul parametru de influen asupra coeficientului de lire l reprezint raportul l0/b0. n realitate valoarea coeficientului de lire este influenat i de raportul dintre nlimea h0 i limea b0 a seciunii iniiale. Pe msura creterii acestui raport, n limitele 1,0-2,0 coeficientul de lire se micoreaz cu 8-12%.

c. Alungirea. Ca i n cazul altor procedee de deformare plastic prin ntindere i n cazul forjrii alungirea l este dat de relaia:

1 0l l l = (3.60)

n care 0l reprezint lungimea de prindere a semifabricatului ntre scule, adic lungimea

iniial, iar 1l - lungimea obinut dup forjarea pe o latur. Pentru stabilirea alungirii se recurge la legea constanei volumelor, din care rezult c:

0 011

l Al

A= (3.61)

nlocuind pe A1 cu valoarea sa din ecuaia (3.58) ecuaia (3.61) se transform n:

( )0 0

1

0 1 1

A ll

A =

sau

( )0

1 1 1

ll

=

(3.62)

Introducnd lungimea l1 din ecuaia (3.62) n ecuaia (3.60) rezult:

( )0

01 1

ll l

=

, adic

( )( )01

1 1l l

=

(3.63)

Din ecuaia (3.63) s-ar prea c alungirea crete odat cu creterea lungimii de prindere i a gradului de deformare plastic. Aceast concluzie este valabil numai pentru valoarea absolut a alungirii, nu i pentru valoarea relativ, adic pentru raportul dintre alungire i lire, ntruct acest raport se micoreaz cu creterea lungimii de prindere. Micorarea raportului dintre alungire i lire, pe msura creterii lungimii de prindere, rezult i din figura 3.98.

n figura 3.98 se prezint dou epruvete, de seciune prismatic i de aceleai dimensiuni, forjate pe o latur cu acelai grad de deformare plastic i cu lungimi de prindere diferite.

Fig. 3.98. Alungirea i lirea la forjarea ntre scule plane cu lungimi de prindere diferite:

a- l0/b0=0,75; b- l0/b0=1,5.

Micorarea alungirii, inclusiv a raportului l1/b1, n cazul mririi lungimii de prindere, se datoreaz legii minimei rezistene, figura 3.99.

a b

Fig. 3.99. Curgerea materialului n timpul forjrii cu lungimi de prindere diferite.

Din figura 3.99. se observ c pe msura creterii lungimii de prindere scade

ponderea volumului de material care se deplaseaz n direcia alungirii, micorndu-se n mod corespunztor i alungirea.

d. Lirea. n cazul ntinderii prin forjare ntre scule plane lirea, exprimat prin relaia 01 bbb = , este dependent de: coeficientul de lire , gradul de deformare

plastic i raportul0

0

h

l, adic raportul dintre lungimea de prindere a semifabricatului

ntre scule i grosimea acestuia.

Pentru determinarea limii 1b , dup forjarea pe o latur, se folosete relaia

1

11

h

Ab = , n care 1A i 1h reprezint aria i nlimea seciunii transversale a

semifabricatului la o lungime de prindere. nlocuind valoarea ariei 1A cu valoarea sa din relaia (3.58) rezult:

( )0

11

1 1Ab

h

= sau ( )0 0

11

1 1b hb

h

= (3.64)

Introducnd valoarea limii 1b n relaia lirii 01 bbb = se obine:

( )0 01 0 0

1

1 1b hb b b b

h

= = sau

( )001

1 1 1h

b bh

=

(3.65)

Cunoscnd c

=1

1

1

0

h

h i nlocuind raportul

1

0

h

h cu

11

ecuaia (3.65) devine:

( )[ ]

= 111

1

10 bb de unde

0 1b b

=

(3.66)

Avnd n vedere c gradul de deformare plastic i valoarea absolut a limii

0b influeneaz n acelai

sens att lirea ct i alungirea rezult c dintre cei trei factori de influen din relaia (3.66), singurul care acioneaz asupra lirii n detrimentul alungirii, adic cel care

mrete raportul l

b

, este

coeficientul de lire . n vederea simplificrii calculelor, n figura 3.100 se prezint nomograma pentru stabilirea alungirii i lirii n funcie de raportul l0/b0 i gradul de deformare plastic.

Din figura 3.100, n care alungirea i lirea sunt exprimate prin rapoartele l1/l0 i b1/b0, iar gradul de deformare plastic prin raportul h0/h1, rezult c n cazul forjrii unui semifabricat cu gradul de

Fig. 3.100. Alungirea i lirea n funcie de raportul l0/b0 i gradul de deformare plastic [31].

deformare plastic h0/h1=1,18 i raportul l0/b0=0,8, alungirea este dat de raportul l1/l0=1,105, iar lirea de raportul b1/b0=1,065.

3.5.2.1.2. Coeficientul de flambaj

ntruct n timpul forjrii semifabricatul trebuie rotit cu 900, astfel nct limea devine nlime i invers, este posibil ca dup rotire semifabricatul s flambeze. Pentru a evita flambarea (curbarea) este necesar ca la forjarea pe o latur raportul dintre limea i nlimea seciunii transversale a semifabricatului, numit i coeficient de flambaj, s nu depeasc valoarea de 2,5. Notnd cu acest raport ecuaia coeficientului de flambaj poate fi scris sub forma:

1

1

b

h = (3.67)

n care 1b i 1h reprezint dimensiunile seciunii transversale ale semifabricatului nainte de rotire. nlocuind pe 1b din ecuaia (3.67) cu valoarea sa din ecuaia (3.64) se obine:

( )0 0

21

1 1b h

h

= (3.68)

Avnd n vedere c din ecuaia gradului de deformare plastic 0

10

h

hh = rezult

c ( )= 101 hh i nlocuind pe 1h n ecuaia (3.68) aceasta se transform n: ( )[ ]

( )22000

1

11

=

h

hb, de unde

0

0

11

1 1

b

h

= +

(3.69)

n cazul n care din formula (3.69) rezult c 5,2> se micoreaz gradul de deformare plastic.

3.5.2.1.3. Domeniul deformrilor admise

Pentru simplificarea calculelor la ntocmirea proceselor tehnologice de forjare, n cazul automatizrii acestor procese, gradul admis de deformare plastic poate fi stabilit i cu ajutorul nomogramelor.

Cunoscnd c 0

1

0

10 1h

h

h

hh=

= i nlocuind pe h1 cu raportul 1b / , rezultat

din ecuaia (3.67), se obine ecuaia de interdependen dintre gradul de deformare i coeficientul de flambaj, adic:

1

0

1b

h

= (3.70)

Intervalul n care gradul de deformare plastic poate varia fr ca semifabricatul s flambeze rezult din cazurile extreme, adic din cazurile n care se forjeaz fie cu alungire nul, fie cu lire nul.

Fig. 3.101. Nomogram pentru stabilirea

gradului de deformare admis.

a. Alungirea este nul, adic 01 ll = i IVIIIII AAA += , v. figura 3.96. n acest caz

din ecuaia constanei volumelor rezult:

0 011

b hb

h= (3.71)

nlocuind raportul 1

0

h

hcu valoarea sa din ecuaia gradului de deformare plastic,

adic

=1

1

1

0

h

h, ecuaia (3.71) se transform n:

01 1

bb

=

(3.72)

Introducnd valoarea limii 1b n ecuaia (3.70) se obine:

( )

=

11

0

0

h

b, de unde

0

0

1b

h

= (3.73)

b. Lirea este nul, adic 01 bb = . n acest caz ecuaia (3.70) devine:

0

0

1b

h

= (3.74)

Dac n ecuaiile (3.73) i (3.74), care se refer la cazurile extreme de forjare, se nlocuiete cu valoarea dorit, n limitele 1,5...2,5 , se obine graficul de variaie a deformrilor admise n funcie de raportul

0

0

b

h, figura 3.101.

n figura 3.101, curba 1 se refer la cazul n care alungirea este nul, iar curba 2 - la cazul n care lirea este nul. De aceea n domeniul I deformarea plastic este admis, indiferent de raportul dintre alungire i lire, iar n domeniul III deformarea plastic depete valorile admise. Domeniul II, situat ntre cele dou curbe, reprezint domeniul de trecere. n acest domeniu deformarea plastic poate fi admis

dac raportul 0

0

b

lare valori reduse, adic

alungirea se produce cu intensitate mai mare dect lirea . De reinut c n figura 3.101. curbele

1 i 2 se refer la cazul n care = 2,5. n cazurile n care pentru coeficientul de flambaj se adopt o valoare mai mic dect 2,5, alura curbelor 1 i 2 rmne aproximativ aceeai, dar valoarea gradelor de deformare admis se micoreaz.

3.5.2.1.4. Coroiajul

Proprietile mecanice i tehnologice ale produselor obinute prin forjare sunt sensibil influenate de mrimea gradului de deformare plastic. Din aceast cauz, n cazul forjrii, cunoaterea mrimii gradului de deformare plastic este imperios necesar. n pofida acestei necesiti, datorit rotirii semifabricatului n timpul forjrii i a schimbrii direciilor de curgere a materialului metalic n timpul deformrii plastice, formulele uzuale

de exprimare a gradului de deformare plastic, ca de exemplu: 0

10

h

hh = sau

1

0lnh

h= i

altele asemntoare, nu pot fi folosite i n cazul ntinderii prin forjare. De aceea pentru evaluarea gradului de deformare plastic, n cazul ntinderii prin forjare, se folosete noiunea de coroiaj exprimat prin formulele:

0

1

AC

A= , sau (3.75)

i

f

AC

A= (3.76)

n formulele (3.75) i (3.76), 0A i 1A reprezint aria seciunilor transversale ale

lingoului sau semifabricatului nainte i dup ntinderea prin forjare, fr a se ine seama dac forjarea s-a terminat sau nu, iar

iA i fA reprezint aria seciunii lingoului i a

piesei forjate. Cu alte cuvinte raportul 10 /AA se refer la un coroiaj oarecare, iar raportul

fi AA / reprezint coroiajul total.

Avnd n vedere c volumul semifabricatului este constant rezult c 0

1

1

0

L

L

A

A= ,

ceea ce nseamn c prin coroiaj se nelege nu numai raportul dintre seciunile transversale ci i raportul dintre lungimi. n cazul forjrii n etape, sau n trepte, se folosete i noiunea de coroiaj parial. La rndul su coroiajul parial se calculeaz pe baza seciunilor intermediare obinute pentru diversele trepte de forjare, figura 3.102. n figura 3.102 se prezint treptele de forjare necesare ntinderii semifabricatului de la seciunea A0 la seciunea Az cu respectarea coeficientului de flambaj.

Prima treapt o constituie forjarea de la A0 la A1, iar coroiajul parial, n acest caz, este dat de relaia C1 = A0/A1. n mod similar pentru urmtoarele trepte de forjare

coroiajele pariale pot fi exprimate sub forma: 3

23

2

12 ,

A

AC

A

AC == etc. ntruct

,.. 01

3

2

2

1

1

0

zz

z

A

A

A

A

A

A

A

A

A

A= adic CCCCC z = ..321 , rezult c produsul coroiajelor

pariale este egal cu coroiajul total.

a b c d e

Fig. 3.102. Forma i dimensiunile seciunii transversale a semifabricatului la forjarea n trepte.

Interdependena dintre valorile coroiajului total i ale coroiajelor pariale, precum i posibilitatea evalurii gradului de deformare plastic n cazurile n care se schimb direciile de curgere a materialului metalic, reprezint principalele avantaje ale noiunii de coroiaj. n schimb ntre valorile coroiajului, calculat numai pe baza raportului dintre cele dou seciuni, i valorile gradului de deformare plastic pot s apar nepotriviri. Astfel n cazul forjrii fr alungire, cnd 0=l i 01 AA = , valorile coroiajului obinute cu

relaiile 10 /AAC = sau /i fA A se menin tot timpul egale cu unu, indiferent de valorile

gradului de deformare plastic. Dac dimpotriv lirea este nul i alungirea este maxim, la acelai grad de deformare plastic, valorile coroiajului sunt mai mari dect n celelalte cazuri. Cnd prin forjare se produce att alungirea ct i lirea valorile coroiajului, pentru acelai grad de deformare plastic, se modific n funcie de valorile raportului dintre alungire i lire.

Cu alte cuvinte dac nu se ine seama de raportul dintre alungire i lire la aceeai valoare a gradului de deformare plastic se pot obine mai multe valori pentru coroiaj i invers, la acelai coroiaj pot fi realizate mai multe valori ale gradului de deformare plastic. Din aceast cauz n literatura de specialitate se ntlnesc numeroase confuzii i contradicii cu privire la influena coroiajului asupra proprietilor mecanice ale produselor obinute prin forjare, sau asupra coroiajului necesar obinerii anumitor valori ale proprietilor mecanice ale pieselor forjate. Pentru eliminarea acestor neajunsuri au fost propuse noiunile de coroiaj convenional i coroiaj echivalent [24]. Prin coroiaj convenional se nelege coroiajul care se calculeaz numai pe baza seciunilor transversale ale produselor forjate, nainte i dup forjare. n acest fel noiunea de coroiaj a fost nlocuit cu cea de coroiaj convenional. Prin coroiaj echivalent se nelege produsul dintre coroiajul convenional i un coeficient de corecie care ine seama de raportul dintre alungire i lire. Acest coroiaj se calculeaz cu formula:

eC K C= (3.77)

n care C i Ce reprezint coroiajele convenionale i echivalente, iar K coeficientul de corecie.

Valoarea coeficientului de corecie, n funcie de intensitatea alungirii, intensitate condiionat de raportul 00 /bl , v. figura 3.98,

rezult din figura 3.103. Din figura 3.103. se observ c valoarea coeficientului de corecie crete cu creterea raportului l0/b0 , adic a raportului dintre lire i alungire. n cazul forjrii ntre scule profilate sau mixte, adic n cazul n care lirea este nul i coroiajul crete cu intensitate maxim, coeficientul de corecie K este egal cu unu.

3.5.2.1.5. Treptele de forjare

La forjarea lingourilor i semifabricatelor cu coroiaje mai mari dect 1,4-1,7 forjarea se execut n trepte. Prin treapt de forjare se nelege forjarea pe dou laturi opuse, cu o rotire de 90o. Pentru automatizarea operaiilor de forjare cunoaterea numrului treptelor de forjare este obligatorie. La rndul su numrul treptelor de forjare pentru ntinderea de la seciunea iniial A0 la seciunea final Az, v. figura 3.102, se calculeaz pe baza interdependenei dintre coroiajul total i coroiajele pariale, adic:

z

ppppp

z

z

z

CCCCCA

A

A

A

A

A

A

A

A

AC

z==== .....

321

1

3

2

2

1

1

00

de unde:

zp AACZ = lglglg 0 sau

0lg lg

lgz

p

A AZ

C

= (3.78)

n ecuaia (3.78), Z reprezint numrul treptelor de forjare, A0 i Az aria seciunilor transversale, iniial i final, iar Cp coroiajul parial, care se adopt n limitele 1,4 - 1,7.

3.5.2.1.6. Starea de tensiune

Printre factorii de influen asupra calitii produselor forjate se nscrie i starea de tensiune care se creeaz n timpul forjrii. n cazul folosirii sculelor plane starea de tensiune este influenat n principal de felul seciunii transversale a semifabricatului, ptrat sau rotund, i ntr-o mai mic msur de parametrii de forjare.

a. Forjarea semifabricatelor ptrate. La ntinderea prin forjare a semifabricatelor ptrate sau dreptunghiulare, ca i la refulare, sub aciunea forei de deformare plastic P i a celor de frecare exterioar T, se creaz strile de tensiune S1 i S3, figura 3.104. La prima semitreapt de forjare, figura 3.104, a i b, se formeaz zonele A n care starea de tensiune este S1 iar deformarea plastic se produce cu intensitate minim, i zona B, n care starea de tensiune este S3 i deformarea plastic se produce cu intensitate maxim. n timpul deformrii plastice, pn la rotirea semifabricatului cu 90o, adic pn

Fig. 3.103. Interdependena dintre raportul l0/b0 i coeficientul K.

la ntoarcerea pe cant, zonele A se mresc i zona B se micoreaz, iar la un moment dat zona B se despic. Dup rotirea semifabricatului, la cea de a doua semitreapt, figura 3.104, c i d, zonele A i B i schimb locul, iar n timpul deformrii plastice se dezvolt n sens invers. n continuare alternana schimbrilor de poziie a celor dou zone i a celor dou stri de tensiune, inclusiv a intensitii deformrii plastice i a sensurilor de deplasare a particulelor de material din aproprierea planelor celor dou diagonale, se repet la fiecare rotire a semifabricatului. Rezult c n interiorul zonelor A i B, respectiv n interiorul semifabricatului, acioneaz alternativ att tensiuni de comprimare ct i tensiuni de ntindere. Pe lng aceste tensiuni, care acioneaz n sensul deformrii plastice, n zonele din apropierea planelor care se formeaz de-a lungul celor dou diagonale se creeaz tensiuni de ntindere cu efect de forfecare. Aceste tensiuni se datoreaz schimbrii sensului de deplasare a particulelor de material din zonele nvecinate cu planele formate de cele dou diagonale, figura 3.104.

a b c d

Fig. 3.104. Forele care acioneaz i strile de tensiune care se creeaz n timpul ntinderii prin forjare.

Din figura 3.104 se observ c n aproprierea planelor diagonalelor sensul de deplasare a particulelor de material, de la interior spre exterior i invers, se schimb la fiecare rotire a semifabricatului. Schimbarea alternativ a sensului de deplasare a particulelor de material favorizeaz apariia fisurilor i crpturilor din zona diagonalelor, figura 3.105. Pe suprafaa lustruit i atacat fisurile i crpturile care apar n timpul forjrii semifabricatelor ptrate sunt similare cu cele din figura 3.106.

Avnd n vedere c distana de deplasare n sens invers a dou particule de material din vecintatea planelor diagonalelor este proporional cu gradul de deformare unitar, adic gradul de deformare plastic realizat cu o lovitur de ciocan sau o curs de pres, i cu raportul dintre lire i

Fig. 3.105. Aspectul fisurilor n seciunea transversal a unui semifabricat din oel

mediu aliat [28].

alungire, rezult c pentru reducerea tendinei de fisurare sau crpare a semifabricatului n timpul forjrii este necesar ca forjarea s se execute cu valori ct mai reduse, att pentru gradul de deformare unitar, ct i pentru lire. Prima condiie poate fi realizat prin micorarea energiei de lovire a ciocanului, respectiv micorarea forei de apsare a presei. Pentru cea de a doua condiie este necesar micorarea raportului l0/b0, adic a raportului dintre lungimea de prindere a semifabricatului ntre scule i grosimea acestuia, raport de care depinde intensitatea lirii. La rndul su raportul l0/b0 nu poate fi micorat sub 0,45-0,5 ntruct n acest caz apar tensiuni de ntindere longitudinal n zona central, tensiuni care pot conduce la apariia fisurilor transversale.

Fig. 3.106. Fisuri i crpturi aprute n timpul forjrii

semifabricatelor ptrate [9]. n figura 3.107 se prezint variaia deformrii locale pe nlime

l , n zona central a semifabricatelor, n funcie de gradul de deformare general g i raportul dintre lungimea de prindere l0 i grosimea semifabricatului pe nlime h0. Din figura 3.107 se observ c, indiferent de valorile deformrii generale

g , calculate pe baza dimensiunilor exterioare ale seciunii semifabricatului, n domeniul I, la valori ale raportului

45,0/ 00 hl , deformarea plastic local din zona central se menine la valori mai ridicate dect deformarea general. Cu alte cuvinte la 45,0/ 00 hl zona central se deformeaz plastic sub aciunea tensiunilor predominant de comprimare. Domeniul II reprezint domeniul de trecere ntre I i III, iar n domeniul III, la 00 / hl

Un alt mijloc de reducere a tendinei de fisurare sau crpare n planul diagonalelor l constituie reptratizarea, adic rotirea semifabricatului cu 450 i formarea unui al doilea ptrat, decalat fa de primul cu acelai unghi i evident cu alte diagonale, figura 3.108.

Deoarece dup reptratizare noile diagonale se gsesc n zone care n-au mai fost solicitate la ntindere, n sensuri diferite i repetate, capacitatea materialului metalic de a suporta asemenea solicitri crete cu pn la dublu. Pe lng micorarea tendinei de fisurare sau crpare, n zona diagonalelor, forjarea cu reptratizare contribuie i la micorarea neuniformitii deformaiei i mbuntirea proprietilor mecanice i tehnologice ale produselor obinute prin forjare. Ridicarea temperaturii de forjare, n limitele intervalului admis pentru temperatura de deformare plastic la cald a materialului metalic, mrete plasticitatea i reduce tendina de fisurare sau crpare din cauza tensiunilor de ntindere.

b. Forjarea semifabricatelor rotunde. La ntinderea semifabricatelor rotunde ntre scule plane n stadiul iniial suprafeele de contact dintre semifabricat i scule sunt foarte mici, practic neglijabile i confundabile cu cte o linie. Pe msura creterii gradului unitar de deformare plastic se creeaz i cele dou suprafee de contact. Sub influena forei de deformare plastic P i a forelor de frecare exterioar T, n aproprierea celor dou suprafee de contact, se formeaz zonele de deformare ngreunat i zonele de deformare maxim. Primele sunt delimitate de triunghiurile ABC i ABC, iar ultimele de conturul ACBD i A'C'B'D', figura 3.109. Mrimea zonelor de deformare ngreunat i a celor de deformare maxim este proporional cu gradul de deformare unitar i poate fi stabilit fie pe cale experimental, fie cu ajutorul regulii lui Prandtl. Conform regulii lui Prandtl, descris n lucrarea [24], vrfurile D si D, din figura 3.109, ajung n axa semifabricatului la u=3% i se ntreptrund la u > 3%. La u < 3% ntre cele dou vrfuri exist o distan dependent de gradul unitar de deformare plastic. n figura 3.109 aceast distan este egal cu raza OD, respectiv OD', i arat existena i mrimea celei de a treia zone. Ca i n cazul refulrii, starea de tensiune este S1 n interiorul zonelor ABC i ABC i S3 n interiorul zonelor ACBD i ACBD. Prin rotirea semifabricatului n timpul forjrii zonele ABC i ABC nchid inelul I, iar zonele ACBD i ACBD nchid inelele I i II formnd o singur zon, zona

Fig. 3.108. Schema reptratizrii.

Fig. 3.109. Zonele de deformare plastic la

forjarea semifabricatelor rotunde

periferic. Delimitarea dintre zona periferic i zona central este dat de mrimea razelor OD, respectiv OD, figura 3.109. Sub influena forei P i a tensiunilor de comprimare i ntindere, aferente strilor de tensiune S1 i S3, zona periferic se alungete i trage dup sine zona central care tinde s-i menin dimensiunile iniiale, figura 3.110. n figura 3.110 se prezint aspectul unor semifabricate rotunde forjate, cu grade mici de deformare unitar, ntre scule plane.

Fig. 3.110. Aspectul suprafeei frontale a semifabricatelor rotunde forjate cu grade mici de deformare unitar.

Din figura 3.110. se observ c sub influena tensiunilor de ntindere i

comprimare, din zonele ABC i ACBD reprezentate n figura 3.109, zona periferic se alungete i antreneaz cu sine i zona central, zon care n acest caz se deformeaz plastic numai sub influena tensiunilor de ntindere. Datorit tensiunilor de ntindere n zona central, plasticitatea materialului scade foarte mult, iar n cazurile n care aceste tensiuni sunt mai mari dect limita de curgere a materialului metalic, semifabricatul i distruge integritatea, fie n direcie longitudinal, fie n direcie radial, n funcie de direcia tensiunilor predominante.

n figura 3.111 se prezint aspectul rupturii, care a fost pus n eviden la strunjirea unui semifabricat cu seciunea rotund, precum i al aibei care a fost decupat din apropierea rupturii.

a b

Fig. 3.111. Aspectul rupturii i al aibei decupate

Din figura 3.111 se observ c fisurile care au aprut n timpul forjrii, din cauza tensiunilor de ntindere longitudinal create n zona central, s-au dezvoltat pn n zona

periferic i au ajuns chiar i n stratul de material prevzut pentru prelucrrile prin achiere.

n cazurile n care predominante sunt tensiunile de ntindere radial fisurile care se formeaz sunt orientate longitudinal i pot s apar numai pe anumite poriuni sau pe ntreaga lungime a semifabricatului. n figura 3.112 se prezint dou discuri din oel n care au fost introduse patru tifturi, tot din oel, i care dup forjare cu coroiaje diferite i cu grade mici de deformare unitar au fost secionate longitudinal [9].

Fig. 3.112. Desenul de execuie i aspectul discurilor n seciune longitudinal Din figura 3.112 se observ c dup forjarea cu grade mici de deformare unitar

discurile s-au alungit numai n zona periferic, iar diferena de lungime ntre zona periferic i zona central este cu att mai mare cu ct a fost mai mare coroiajul. De asemenea se mai observ c pe msura creterii coroiajului n zona periferic gurile i diametrul tifturilor s-au micorat, iar n zona axial gaura s-a mrit i tiftul a ieit liber, far a-i modifica dimensiunile. Mrirea diametrului gurii din zona axial atest faptul c n aceast zon, n timpul forjrii, acioneaz tensiuni de ntindere n direcie radial, dei fora P acioneaz n sens invers. Meninerea lungimii iniiale a zonei axiale arat c n cazul semifabricatelor monobloc, cu lungimi mai mari dect diametrul, alungirea acestei zone se produce sub influena tensiunilor de ntindere n direcie longitudinal. Din cele de mai sus rezult c la forjarea semifabricatelor rotunde cu grade mici de deformare unitar zona central se deformeaz plastic sub aciunea tensiunilor de ntindere, att n direcie longitudinal, ct i n direcie radial. Modul de formare a tensiunilor de ntindere n direcie radial, din zona central a semifabricatului, rezult din figura 3.113, n care se prezint descompunerea i compunerea forelor care acioneaz n timpul forjrii semifabricatelor rotunde. Datorit strii de tensiune S1 din triunghiurile ABC si ABC, figura 3.113, n interiorul celor dou triunghiuri, numite i zone de deformare ngreunat, rezistena la deformarea plastic este mai mare dect n restul semifabricatului. Din aceast cauz fora P se transmite n interiorul semifabricatului prin intermediul componentelor nP i 'nP i

al tensiunilor de ntindere n direcie radial i ' , tensiuni care se formeaz prin compunerea celor dou componente. Prin rotirea semifabricatului n timpul forjrii triunghiurile ABC i A'B'C' nchid inelul periferic de raz interioar OC, adic zona I din figura 3.109, iar tensiunile de ntindere i ' din zona axial de raz OD i schimb

direcia de la Ox la Oy extinzndu-i aciunea pe dou direcii n ntreaga zon axial. n acelai timp zonele ABCD i A'B'C'D', n care acioneaz tensiuni de comprimare i ntindere, nchid i ele zona periferic format din inelele I i II, v. figura 3.109. Rezult c n acest caz, adic la forjarea cu grade mici de deformare unitar,

%0,3u , n zona periferic, inelele I i II, acioneaz tensiuni de comprimare i ntindere, iar n zona central de raz OD numai tensiuni de ntindere. Datorit tensiunilor de ntindere plasticitatea materialului metalic din zona central scade foarte mult, crescnd n mod corespunztor tendina semifabricatului de a-i distruge integritatea chiar n timpul deformrii plastice. Influena gradului de deformare unitar asupra mrimii i ponderii zonelor de deformare plastic i asupra tendinei materialului metalic de a-i distruge integritatea n timpul forjrii, rezult din figura 3.114. Din figura 3.114. se observ c pe msura creterii gradului de deformare unitar crete ponderea zonelor I i II, n detrimentul zonei III, v. i figura 3.109. n acelai timp pe msura creterii gradului de deformare unitar scade ponderea tensiunilor de ntindere n favoarea celor de comprimare, micorndu-se n mod corespunztor i tendina materialului metalic de a-i distruge integritatea n timpul deformrii plastice. La grade mici de deformare unitar, sub 3 %, n direcie vertical, direcia Oy,

Fig. 3.113. Forele care acioneaz i tensiunile care se creeaz n timpul forjrii semifabricatelor rotunde.

Fig. 3.114. Zonele de deformare plastic i epura tensiunilor

acioneaz tensiuni de comprimare cu valori descresctoare de la periferia semifabricatului spre centrul acestuia. n punctele D i D tensiunile de comprimare devin egale cu limita de curgere a materialului metalic i influena lor asupra deformrii plastice se anuleaz. n direcie orizontal, direcia Ox, acioneaz tensiuni de ntindere cu valori minime la periferia semifabricatului i maxime n zona central. Rezult c la %3u tensiunile de comprimare predomin n ntreaga seciune. Cu alte cuvinte la %11>u deformarea plastic se produce predominant sub influena tensiunilor de comprimare n ntreaga seciune a semifabricatului, iar tendina materialului metalic de a-i distruge integritatea n timpul deformrii plastice se reduce pn la anulare.

n cazurile n care predominante sunt tensiunile de ntindere radial, fisurile care se formeaz sunt orientate longitudinal i pot s apar numai pe anumite poriuni sau pe ntreaga lungime a semifabricatului. Se observ c n comparaie cu semifabricatele ptrate la care, pentru reducerea tendinei de fisurare sau crpare n timpul forjrii, gradul de deformare unitar trebuie micorat, la semifabricatele rotunde, dimpotriv, gradul de deformare unitar trebuie mrit. Pentru semifabricatele rotunde, din materiale metalice cu plasticitate redus, se recomand folosirea sulelor profilate sau mixte.

Fig. 3.115. Fisuri aprute n timpul forjrii.

3.5.2.1.7. Mrimea utilajului

a. Mrimea presei. n cazul preselor, de regul prese hidraulice, fora necesar deformrii plastice este dat de ecuaia general a forei, adic ApP = , n care p i A reprezint presiunea i suprafaa. Valoarea presiunii de deformare plastic la ntinderea prin forjare se determin cu formula (3.79) asemntoare cu cea de la refulare:

1

1

11,15 ' 1

2cl

ph

= +

(3.79)

n care: 'c reprezint limita de curgere a materialului metalic la temperatura de forjare; - coeficientul de frecare exterioar ( 35,025,0 = ); l1 i h1- lungimea semifabricatului i nlimea seciunii acestuia n poriunea de prindere ntre scule, dup forjarea pe o latur. Introducnd valoarea presiunii n formula P p A= , se obine:

1

1

11,15 ' 1

2cl

P Ah

= +

(3.80)

Pentru semifabricatele ptrate sau dreptunghiulare, la care 11 blA = , lungimea 1l i limea 1b a suprafeei de contact dintre scule i semifabricat se calculeaz cu relaiile (3.62) i (3.64) sau se determin cu ajutorul nomogramei din figura 3.100. De asemenea lungimea 1l poate fi considerat a fi egal cu limea B a nicovalei. n cazul semifabricatelor rotunde suprafaa A reprezint suprafaa zonelor de deformare ngreunat la contactul dintre berbec i semifabricat, cu condiia ca gradul de deformare unitar luat n calcul s fie mai mare de 8 % pentru sculele profilate i peste 10% pentru sculele plane sau mixte. La forjarea oelurilor nealiate i slab sau mediu aliate valorile forei necesare deformrii plastice, n funcie de diametrul lingoului sau semifabricatului, pot fi stabilite i cu ajutorul nomogramei din figura 3.116.

n figura 3.116, curba 1 se refer la oelurile nealiate, inclusiv aliajele neferoase cu rezistena medie la deformarea plastic, iar curba 2 la oelurile slab i mediu aliate.

b. Mrimea ciocanului. Ca i la refulare i n cazul ntinderii mrimea ciocanului se determin pe baza egalitii dintre energia de lovire a ciocanului i lucrul mecanic necesar deformrii plastice, adic:

Fig. 3.116. Interdependena dintre diametrul ligoului sau al semifabricatului i fora necesar deformrii plastice [19].

uc LE = , sau 2

'2 m uGv

p Vg = , de unde

2

2'm u

gG p V

v

=

(3.81)

Introducnd n relaia (3.81) valoarea presiunii din relaia (3.79) rezult:

1

12

12,3 ' 1 '

2c ul

g Vh

Gv

+

= (3.82)

n ecuaia (3.82), V reprezint volumul semifabricatului cuprins ntre scule, n cm3, - randamentul ciocanului n limitele 0,8-0,9 i u - gradul de deformare unitar adoptat, iar restul notaiilor au aceeai semnificaie ca i n ecuaia (3.79). Pentru eliminarea calculelor n tabelul 3.13. se prezint valorile orientative ale mrimii ciocanelor, exprimat prin greutatea prii cztoare, n funcie de diametrul iniial al semifabricatului. Aceste valori sunt valabile numai pentru forjarea oelurilor nealiate i slab sau mediu aliate.

Tabelul 3.13. Valorile orientative ale mrimii ciocanelor n funcie de diametrul iniial al semifabricatului

Diametrul semifabricatului, mm

100 200 250 300 400 500 600 800

Greutatea prii czatoare, daN

750 1000 2000 3000 4000 5000 7000 10000

n cazul forjrii materialelor metalice cu rezistena la deformarea plastic la cald diferit de a oelurilor nealiate i slab sau mediu aliate, cum sunt de exemplu aliajele de aluminiu sau oelurile rapide, la aceleai dimensiuni ale semifabricatelor, mrimea ciocanelor indicat n tabelul 3.13 se corecteaz n funcie de rezistena la deformarea plastic a materialului metalic analizat.

3.5.2.2. ntinderea ntre scule profilate

n comparaie cu sculele plane sculele profilate prezint avantajul mririi productivitii i al reducerii tendinei de fisurare n timpul forjrii semifabricatelor rotunde. n schimb domeniul de aplicabilitate al acestor scule se restrnge numai la forjarea pieselor simple i a semifabricatelor rotunde. La forjarea semifabricatelor rotunde ntre scule profilate n V fora P, necesar deformrii plastice, se transmite semifabricatului prin intermediul a patru suprafee de contact, figura 3.117. n acest fel componentele normale care acioneaz pe suprafeele de contact dintre semifabricat i scule se reduc la P, reducndu-se n mod corespunztor i tensiunile de ntindere din zona central a semifabricatului. Pe lng gradul de deformare unitar, n cazul forjrii cu scule profilate, valoarea tensiunilor de ntindere din zona axial a semifabricatului depinde i de mrimea unghiului de profilare a sculelor, unghiul din figura 3.117. Pe msura creterii acestui unghi, n limitele 90...180o, crete i valoarea tensiunilor de ntindere din zona axial a semifabricatului. Sub 90o unghiul nu poate fi micorat ntruct n acest caz

semifabricatul se rotete liber ntre scule, fr a putea fi deformat, iar la o180= sculele profilate se transform n scule plane. n cazul n care o90= , figura 3.117, a, componentele nP2/1 i

'2/1 nP , egale i

de sens contrar, se anuleaz reciproc i nu pot da natere unor tensiuni de ntindere. Din aceast cauz, la prima vedere, s-ar prea c n acest caz tensiunile de ntindere din zona central a semifabricatului lipsesc, indiferent de valoarea gradului de deformare unitar. n realitate, aa cum s-a artat mai sus, v. i figura 3.110, la %3u sub aciunea tensiunilor de comprimare i ntindere se deformeaz plastic numai zona periferic, iar prin alungire aceast zon antreneaz cu sine i zona central, pe care o supune unor tensiuni de ntindere. De aceea pentru reducerea i chiar anularea tensiunilor de ntindere i a tendinei de fisurare a semifabricatului, n timpul forjrii, gradul de deformare unitar trebuie s fie mai mare de 3%, indiferent de valoarea unghiului de profilare.

La o90> , figura 3.117, b, prin compunerea componentelor nP2/1 i 1/ 2 'nP se formeaz rezultatele R i R' care dau natere tensiunilor de ntindere radial, tensiuni care, la acelai grad de deformare unitar, sunt cu att mai mari cu ct este mai mare unghiul de profilare a sculelor. n general unghiul se adopt ntre 110 i 135o. La valori mai mici de 110o scade gama dimensional a semifabricatelor ce pot fi forjate cu aceleai scule, iar peste 135o se mrete nejustificat valoarea tensiunilor de ntindere n zona central a semifabricatului. Comparativ cu forjarea semifabricatelor rotunde ntre scule plane, la forjarea ntre scule profilate tensiunile de ntindere din zona central a semifabricatului se reduc cu peste 50%, reducndu-se n mod corespunztor i tendina semifabricatului de a fisura n timpul forjrii.

3.5.2.3. ntinderea ntre scule mixte

n cazul folosirii sculelor mixte, adic berbecul plan i nicovala profilat, contactul dintre scule i semifabricat se realizeaz prin intermediul a trei suprafee. n acest fel pe suprafaa de contact dintre berbec i semifabricat acioneaz fora P, egal cu fora

a b

Fig. 3.117. Forele i tensiunile care acioneaz n timpul forjrii ntre scule profilate:

a- o90= ; b- o90> .

necesar deformrii plastice, iar pe suprafeele de contact dintre semifabricat i nicoval fora P se reduce la jumtate, figura 3.118.

Ca i n cazul sculelor plane sau profilate i n acest caz, sub influena forelor de frecare exterioar T, se formeaz triunghiurile de deformare ngreunat. Din aceast cauz forele de deformare plastic P i 1/2P acioneaz asupra semifabricatului prin componentele nP i nP2/1 , normale pe feele laterale ale celor dou triunghiuri, cu

unghiul la vrf de 90o. Prin compunerea normalelor nP i nP2/1 se obin rezultantele R i

R'. Aceste rezultante, cu punctul de aplicaie n O, figura 3.118, b, dau natere tensiunilor de comprimare 1 i de ntindere 2 i 2 ' .

a b

Fig. 3.118. Forele i tensiunile care acioneaz n timpul forjrii semifabricatelor rotunde ntre scule mixte.

La rotirea semifabricatului, n timpul forjrii, punctul O se deplaseaz pe o spiral,

iar n zona acestei spirale, sub influena tensiunilor de ntindere 2 i 2 ' , materialul metalic este solicitat la ntindere. Cnd valoarea tensiunilor de ntindere din zona spiralei, format de rotirea punctului O, depete valoarea limitei de curgere a materialului metalic n semifabricat apar fisuri de forma celor din figura 3.119.

Fig. 3.119. Fisuri aprute la forjarea semifabricatelor rotunde ntre scule mixte [9].

Comparativ cu forjarea ntre scule plane, la forjarea ntre scule mixte, tensiunile de

ntindere i tendina de fisurare a semifabricatului n timpul forjrii sunt mult mai mici. n comparaie cu sculele profilate la forjarea cu scule mixte tensiunile de ntindere sunt mai mari, dar tendina de fisurare a semifabricatului n timpul forjrii este aproximativ aceeai.

Reducerea tendinei de fisurare, comparativ cu valoarea tensiunilor de ntindere, n cazul folosirii sculelor mixte, se datoreaz schimbrii poziiei punctului Oi a zonelor n care acioneaz tensiunile de ntindere, schimbare care se produce la rotirea semifabricatului n timpul forjrii. La aceeai tendin de fisurare a semifabricatului forjarea ntre scule mixte, comparativ cu sculele profilate, prezint i avantajul reducerii manoperei de schimbare a sculelor la trecerea de la semifabricatele rotunde la cele ptrate i invers.

3.5.2.4. ntinderea pe dorn

n funcie de felul piesei, inelar sau tubular, ntinderea pe dorn se execut cu sau fr modificarea diametrului interior. ntinderea pe dorn cu modificarea ambelor diametre se execut n cazul pieselor inelare, adic al pieselor la care lungimea este mai mic dect diametrul, figura 3.120.

Din figura 3.120. se observ ca la ntinderea pe dorn a pieselor de form inelar alungirea se produce att n direcia i sensul mririi celor dou diametre, ct i n direcia i sensul mririi lungimii piesei. ntruct n cele mai multe cazuri, la forjarea pieselor inelare, alungirea n direcia axial este nedorit, pentru micorarea alungirii n aceast direcie este necesar ca limea B a berbecului, v. figura 3.120, s fie ct mai mare. Alungirea celor dou diametre, inclusiv productivitatea, fiind condiionate i de diametrul dornului necesit ca dornul s fie ct mai subire. Pe de alt parte pe msura micorrii raportului dintre diametrul dornului i diametrul interior al piesei crete tendina de formare a suprapunerilor de material n timpul forjrii. Din aceast cauz la stabilirea diametrului dornului trebuie inut seama pe de o parte de rezistena acestuia la flambaj i intensitatea alungirii celor dou diametre, iar pe de alt parte de tendina de formare a suprapunerilor de material. Diametrul minim, care s asigure rezistena dornului la solicitrile de flambaj i care s corespund i din punctul de vedere al intensificrii alungirii celor dou diametre ale piesei forjate, poate fi stabilit fie prin calcule de rezisten, fie cu ajutorul nomogramelor. n figura 3.121 se prezint nomograma de interdependen dintre lungimea piesei inelare i diametrul dornului. Curba 1 din figura 3.121 se refer la forjarea pieselor cu perei groi, iar curba 2 la piesele cu perei subiri. n general se poate aprecia c diametrul dornului, n funcie de lungimea piesei, se situeaz n domeniul cuprins ntre cele dou curbe. Dac diametrul dornului, obinut prin calcule de rezisten la flambaj sau cu ajutorul nomogramelor, este mult prea mic, fa de diametrul interior al piesei, ceea ce creeaz riscul apariiei suprapunerilor de material, pentru a nu se mri n mod excesiv diametrul dornului i al suportului, se recomand folosirea unor buce intermediare figura 3.122.

Fig. 3.120. ntinderea pe dorn a pieselor inelare:

1- berbecul; 2- piesa; 3- dornul; 4- suportul.

O alt condiie de care trebuie

inut seama la forjarea pieselor inelare se refer la dimensionarea semifabricatului refulat i gurit, deoarece dimensionarea incorect a acestui semifabricat poate conduce fie la micorarea productivitii i mrirea consumurilor energetice i a preului de cost, fie la rebutarea piesei. Astfel dac n timpul forjrii alungirea piesei n direcie axial este mai mare dect alungirea diametrelor piesa trebuie ntoars pe cant i refulat. Dup refulare urmeaz ntinderea pe dorn pn la obinerea dimensiunilor dorite. Uneori pentru obinerea dimensiunilor cerute refularea se repet. ntruct fiecare refulare necesit schimbarea sculelor i renclzirea semifabricatului se nelege c n acest caz manopera de forjare, consumurile energetice i preul de cost sunt proporionale cu numrul de refulrii. Dac, dimpotriv unul din cele dou diametre a ajuns la cotele finale, iar lungimea piesei este mai mic dect cea necesar, forjarea nu mai poate fi continuat i piesa se rebuteaz.

Pentru stabilirea orientativ a dimensiunilor semifabricatului refulat i gurit n vederea ntinderii pe dorn se poate folosi relaia:

h KL= , (3.83)

n care h reprezint nlimea semifabricatului dup refulare i gurire, iar L - lungimea piesei dup ntinderea pe dorn. Valoarea coeficientului K n funcie de raportul Di/d, adic raportul dintre diametrul interior al piesei i diametrul dornului de gurire, precum i de raportul L/De dintre lungimea piesei i diametrul exterior al acesteia poate fi stabilit pe baza nomogramei din figura 3.123.

Din figura 3.123 rezult c pentru o pies cu raportul L/De < 0,3 i un dorn de gurire cu raportul Di/d = 3,2 coeficientul K = 0,88. n consecin nlimea semifabricatului refulat i gurit va trebui s fie cu 12% mai mic dect lungimea piesei forjate.

n cazul n care numrul de piese este suficient de mare se recomand ca forjarea s se execute la dou utilaje. La primul utilaj se execut refularea i gurirea semifabricatului, iar la cel de al doilea utilaj se execut ntinderea piesei pe dorn. n acest fel numrul de nclziri poate fi redus de la dou la una. n cazul pieselor tubulare, adic al pieselor la care lungimea este mai mare dect diametrul interior, la ntinderea pe dorn diametrul interior se menine constant. n funcie

Fig. 3.121. Interdependena dintre lungimea L a

piesei i diametrul d al dornului.

Fig. 3.122. ntinderea pe dorn cu buc

intermediar: 1- berbecul; 2- piesa; 3- buca; 4- dornul; 5- suportul.

de grosimea pereilor pieselor, n afara dornului, sculele folosite, n acest caz, pot fi profilate sau mixte.

Forjarea ntre scule mixte, figura 3.124, se recomand numai n cazul n care grosimea peretelui piesei g, respectiv diferena dintre cele dou diametre, este mai mare dect diametrul dornului. n cazul pieselor tubulare cu pereii mai subiri ntinderea pe dorn se execut ntre scule profilate.

Indiferent de sculele folosite, profilate sau mixte, pentru extragerea piesei dornul trebuie s aib o conicitate de 1/100-1/150, i s fie prevzut cu o aib la captul poriunii cu diametrul mai mare, figura 3.125.

Pentru meninerea contactului ntre dorn i semifabricat, astfel nct dornul s nu se roteasc liber n interiorul semifabricatului, dup introducerea semifabricatului pe dorn, pn la contactul cu flana, forjarea grob se ncepe de lng flan i se continu pn la captul opus. Forjarea de netezire, care se execut la ultima trecere, se ncepe de la captul opus i se termin la captul de lng flan. n acest fel la ultima trecere semifabricatul se desprinde de pe dorn, aproape n ntregime, rmnnd fixat numai la captul de lng flan, ceea ce uureaz extragerea dornului. Tot n scopul uurrii extragerii dornului se recomand folosirea unui lubrifiant rezistent la temperatura de forjare.

n cazul pieselor cu o trangulare n interior, de regul la unul din capete, forjarea se execut ntre scule profilate cu un adaos tehnologic la diametrul exterior, n zona de trangulare, figura 3.126. Dup realizarea lungimii dorite i a diametrului interior se retrage dornul din zona de trangulare i forjarea continu n aceast zon pn la cotele finale ale diametrului exterior. Pentru ca, dup prelucrarea prin achiere, trangularea s aib cotele indicate n

Fig. 3.124. ntinderea pe dorn ntre scule mixte.

Fig. 3.125. Forma dornului pentru ntinderea

pieselor tubulare.

Fig. 3.126. Forjarea preliminar i final a unei

piese tubulare cu o trangulare.

Fig. 3.123. Nomogram pentru stabilirea coeficientului K la ntinderea pe dorn:

1- L/De>0,3 ; 2- L/De < 0,3.

desenul de pies finit este necesar ca lungimea adaosului tehnologic s fie cu cca 20% mai mare dect lungimea trangulrii, iar volumul acestui adaos s fie cu 40-50 % mai mare dect volumul trangulrii.

3.5.2.5. Mrimea utilajului

n cazurile n care cele trei operaii necesare ntinderii pe dorn, adic refularea, gurirea i ntinderea, se execut la acelai utilaj, mrimea utilajului se stabilete pe baza forei necesare operaiei de refulare. Dac ntinderea pe dorn se execut la utilaje diferite, mrimea utilajului se stabilete pentru fiecare operaie, fie prin calculele aferente fiecrei operaii, fie cu ajutorul nomogramelor.

n figura 3.127. se prezint nomograma pentru stabilirea utilajului la ntinderea pe dorn a pieselor inelare.

Valorile rezultate din figura 3.127. sunt valabile i pentru piesele tubulare, cu condiia ca lungimea L din nomogram s fie nlocuit cu limea berbecului, notat cu B n figura 3.124.

3.5.3. Gurirea

Ca operaie de forjare gurirea se ntlnete cu precdere n cazul forjrii pieselor de form inelar sau tubular. n cazul pieselor cu diametrul gurii pn la 400-500 mm gurirea se execut cu dornuri pline, iar la diametre mai mari se folosesc perforatoare tubulare. Gurirea cu dornuri pline se execut fie deschis, fie nchis, adic n matri. Gurirea deschis, figura 3.128, a, prezint avantajul reducerii preului de cost, prin micorarea manoperei de forjare i a forei de deformare plastic, respectiv a utilajului, inclusiv eliminarea matriei. Dezavantajul guririi deschise const n apariia tensiunilor de ntindere n zona periferic, tensiuni care, n cazul materialelor metalice cu plasticitate redus, pot conduce la apariia crpturilor.

Gurirea nchis, figura 3.128, b, elimin tensiunile de ntindere i riscul de crpare a semifabricatului dar necesit manoper suplimentar, un utilaj mai mare i o matri, ceea ce conduce la mrirea preului de cost. Din aceast cauz gurirea nchis se recomand numai pentru piesele din materialele metalice cu plasticitate redus. Indiferent de varianta adoptat, gurire nchis sau deschis, nainte de gurire lingoul rotunjit prin forjare pn la diametrul piciorului i cu maselota i piciorul debitate, sau semifabricatul

Figura 3.127. Interdependena dintre dimensiunile piesei

inelare i mrimea utilajului.

rotunjit, dac a fost prismatic, se refuleaz pn ce raportul dintre nlime i diametru devine subunitar, iar raportul dintre diametrul lingoului sau al semifabricatului dup refulare, i diametrul dornului este mai mare dect 4,0 figura 3.129, a. Dup refulare se execut cavitatea de gurire n care, pentru a reduce forele de frecare exterioar i neuniformitatea deformaiei, inclusiv fora de gurire, se presar un strat de: mangal, cocs sau grafit. Dac este necesar, pentru centrarea cavitii de gurire, se folosete un ablon sau un dispozitiv de centrare. Pentru a elimina materialul impur din zona retasurii cavitatea de gurire se execut la captul dinspre piciorul lingoului. n continuare cu un dorn tronconic cavitatea de gurire se adncete pn la nlimea h egal cu 0,4-0,5 din diametru dornului. n cazul n care pentru efectuarea guririi este necesar un dorn cu raportul dintre lungime i diametru mai mare de 2,5 gurirea se execut cu dou dornuri, figura 3.129, b.

La strpungerea gurii, figura 3.129, c, dup rsturnarea semifabricatului cu 1800, centrarea dornului este uurat de pata ma