Prelucrarea prin forjare

Forjarea este procedeul de deformare plastica la cald care consta din modificarea formei si dimensiunilor unui semifabricat prin crearea unei stari de tensiuni in volumul materialului prin lovire sau presare insotita de curgerea plastica a materialului in diferite directii preferentiale. In functie de modul de curgere a materialului se disting doua procedee: forjarea libera si forjarea in matrita.

1. Forjarea libera

Forjarea libera este o tehnologie de deformare plastica la cald care consta din deformarea prin presare sau lovire a materialului insotita de curgerea plastica libera, neingradita pe directii preferentiale.

Forjarea libera se aplica cu scopul aducerii semifabricatului la o forma si dimensiuni cat mai apropiate de ale piesei finite, printr-o distribuire judicioasa a adaosurilor. De asemenea forjarea libera se aplica pentru imbunatatirea structurii si implicit a proprietatilor. Prin forjarea semifabricatelor turnate se asigura compactarea materialului, sudarea golurilor, tasarea incluziunilor, sfaramarea structurii dendritice de turnare si formarea in urma recristalizarii a unei structuri de deformare cu cristale poliedrice, aparitia structurii fibroase prin orientarea sirurilor de incluziuni pe directiile curgerii plastice si racordate la contururile exterioare etc.

Forjarea libera se constituie intr-o succesiune de operatii simple ca: refularea, intinderea, gaurirea, indoirea, rasucirea, crestarea, retezarea etc.

Refularea este considerata operatia fundamentala a forjarii libere toate celelalte operatii fiind considerate ca insumari de refulari partiale succesive. Refularea consta in reducerea inaltimii semifabricatului prin presare sau lovire si cresterea sectiunii acestuia. Pentru asigurarea reducerii neuniformitatii deformatiei se recomanda ca pentru refulare semifabricatele sa aiba sectiune circulara. Refularea poate fi in acelasi timp operatie pregatitoare pentru intinderea pieselor de tip arbore in vederea maririi gradului de deformare, pentru gaurire, pentru obtinerea pieselor de tip disc etc. Operatia se poate efectua pe ciocane sau pe prese. Desi initial semifabricatele au forma cilindrica dupa refulare apare o tendinta de butoiere datorita deformarii neuniforme determinata de interactiunea dintre scule si semifabricat, fortele de frecare; diferenta de temperatura intre centrul si suprafata semifabricatului cat si intre suprafata laterala si suprafetele de capat aflate in contact cu sculele reci; geometria zonei de contact dintre scule si semifabricat; viteza de deformare etc. Reducerea butoierii se poate face prin refulare in pereche, pentru semifabricatele scunde in doua etape cu rasturnare la 180^o. Schema operatiei este prezentata in figura 31.

Fig.31 a).Operatia de refulare b).Refularea in pereche

Plecand de la legea volumului constant V_o=V₁ se poate determina

De asemenea se determina reducerea absoluta Dh=h_o-h₁ si reducerea relativa e_h Dh/h_o .

Pentru ca refularea sa decurga corect fara tendinta de flambaj este necesar ca semifabricatul sa indeplineasca conditia h_o/d_o<3. Flambajul poate conduce la suprapuneri de material figura 32.

Fig.32 Flambaj cu suprapunere de material.

Intinderea este operati de forjare aplicata cu scopul micsorarii sectiunii si maririi lungimii semifabricatelor. Intinderea consta dintr-o succesiune de refulari partiale cu favorizarea curgerii plastice in directia lungirii. Operatia cuprinde doua etape distincte figura 33: a) refulare pe o parte cu prinderea intre scule a lungimii l_o, semifabricatul isi reduce inaltimea de la h_o la h₁, isi mareste lungimea de la l_o la l_1med si latimea de la b_o la b_1med Lungirea si latirea neuniforma sunt determinate de deformarea neuniforma determinata de cauze prezentate anterior; b) rasturnare la 90^ourmata de refulare de la b_1med la b₂, care asigura preluarea latirii. Si in cazul acestei operatii se impune respectarea conditiei de flambaj respectiv h_o/b_o<3 pentru prima etapa si b_1med/h₁<3 pentru cea de a doua etapa. De asemenea pentru limitarea tendintei de latire si asigurarea unei productivitati optime se impune ca l_o/b_o 0,7 valoare determinata experimental.

Fig.33. Fazele operatiei de intindere.

In functie de configuratia piesei forjate se disting mai multe variante de intindere: intinderea simpla pentru piese tip bara dreapta sau arbore drept sau in trepte; intindere pe dorn pentru piese tip bucsa; intindere pe bara pentru piese tip inel.

Intinderea simpla se realizeaza in general intre scule plane la sectiune patrata, schemele de deformare adoptate, ordinea presarilor, figura 3 fiind in functie de marimea pieselor si dificultatile la manevrarea acestora, la deplasarea si rasturnarea lor intre sculele de deformare

Fig.3 Scheme de deformare la intinderea simpla intre scule plane.

Foarte multe piese au sectiune circulara ceeace impune intinderea prin forjare la rotund. Aceasta se poate realiza in doua variante. Pentru productie de unicat si serie mica se poate utiliza intinderea intre scule plane prin poligonizare, figura 35a, iar pentru productia de serie mare intinderea intre scule  speciale profilate figura 35b.

Fig. 35 Variante de intindere la rotund.

Intinderea pe dorn se utilizeaza pentru cresterea lungimii pieselor tip bucsa, reducerea diametrului exterior in conditiile mentinerii diametrului interior. Dornul de deformare este conic pentru a permite extragerea usoara a piesei, de asemenea forjarea se realizeaza intre scule combinate. Nicovala superioara este plana iar nicovala inferioara este prismatica asigurand reducerea tendintei de latire. In timpul operatiei semifabricatul este presat si rotit cu unghiuri mici dupa fiecare presare figura 36.

Fig.36 Intinderea pe dorn

Intinderea pe bara se aplica in cazul pieselor tip inel si urmareste cresterea diametrului interior si exterior si reducerea sectiunii. In urma operatiei se manifesta si o tendinta de latire. Nicovala superioara este plana iar nicovala inferioara este reprezentata de bara cilindrica ceeace asigura cresterea intensitatii lungirii si reducerea tendintei de latire. In timpul operatiei semifabricatul este presat si rotit cu unghiuri mici dupa fiecare presare figura 37.

Fig.37 Intinderea pe bara

Gaurirea este operatia in urma careia se obtin piese cu gol interior strapuns. In functie de marimea piesei si a gaurii se pot realiza: gaurirea cu dorn plin pentru piese mici si gaurirea cu dorn tubular pentru piese mari si gauri mari, de regula piese obtinute din forjarea lingourilor.

Gaurirea cu dorn plin se realizeaza in doua etape. In prima etapa se realizeaza o pregaurire pe o parte prin imprimarea dornului tronconic pe o adancime de circa 2/3 din inaltimea semifabricatului. Pentru realizarea celei de a doua etape se extrage dornul prin presari si rotiri succesive laterale, se rastoarna semifabricatul la 180^o , se pozitioneaza dornul pe fata opusa si se centreaza si apoi se preseaza. La inceput dornul tronconic se imprima iar cand se atinge sectiunea critica se initiaza fisuri de forfecare care se propaga simultan de la muchia dornului spre partea opusa pana la detasarea deseului. Pentru favorizarea gauririi se recomanda realizarea unei operatii pregatitoare de refulare pentru reducerea inaltimii. Etapele gauririi cu dorn plin sunt prezentate in figura 38.

Refulare   Prima etapaA doua etapa

Fig. 38 Etapele gauririi cu dorn plin

Gaurirea cu dorn tubular se realizeaza de asemenea in doua etape. In prima etapa se preseaza dornul tubular pe o parte a semifabricatului lasandu-se o grosime de minim 100 mm pana la suprafata nicovalei inferioare. Acest lucru asigura limitarea cresterii excesive a fortei si tendinta de deformare a sculelor. In a doua etapa se aseaza semifabricatul pe un inel de forfecare si se continua presarea dornului tubular in aceeasi directie.

Prima etapa A doua etapa

Fig. 39 Etapele gauririi cu dorn tubular

Dornul continua sa patrunda in semifabricat iar cand se atinge sectiunea critica se initiaza fisuri de forfecare care se propaga de la muchia dornului spre partea opusa pana la detasarea deseului.

La gaurirea cu dorn tubular deseul este de mari dimensiuni, volumul acestuia fiind echivalent cu volumul gaurii. Etapele gauririi cu dorn tubular sunt prezentate in figura 39.

Tehnologia forjarii libere cuprinde urmatoarele etape:

-Intocmirea desenului piesei brut forjate pornind de la desenul piesei finite, prin aplicarea adaosurilor de prelucrare si tehnologice,

-Determinarea masei semifabricatului de pornire care insumeaza masa piesei brut forjate si masa pierderilor M_sp=M_pbf+M_p

Masa pierderilor este reprezentata de: pierderile prin ardere 1-5% din masa piesei brut forjate in functie de regimul si conditiile de incalzire; pierderile la debitare , daca aceasta operatie este cuprinsa in proces; pierderile prin capetele de prindere, daca acestea sunt necesare pentru manipularea semifabricatului; pierderile determinate de deseul la gaurire etc.

-Determinarea dimensiunilor semifabricatului de pornire si alegerea acestuia astfel incat prin forjare sa se realizeze un grad de deformare suficient de mare pentru asigurarea unui nivel ridicat al proprietatilor. La forjare gradul de deformare se exprima prin coroiaj C=A_o/A₁, raportul dintre sectiunea initiala si finala a semifabricatului C>3.

-Alegerea succesiunii logice a operatiilor de forjare si a fazelor acestora.

-Alegerea utilajelor pentru forjare

-Stabilirea sculelor, dispozitivelor si verificatoarelor necesare.

-Stabilirea diagramei de incalzire a semifabricatului, determinarea timpului de racire, stabilirea numarului de reincalziri si a pozitiei acestora in procesul tehnologic in functie de duratele operatiilor.

-Stabilirea operatiilor suplimentare de calibrare, curatire, control etc.

Exemple de tehnologii de forjare.

1.Succesiunea operatiilor la forjarea unei piese inel figura 40:

a-debitare semifabricat din laminat greu tip blum,

b-incalzire,

c-intindere la rotund,

d-refulare pentru reducerea inaltimii si favorizarea gauririi,

e-gaurire cu dorn plin in doua faze: gaurire incompleta pe o parte si gaurire cu strapungere pe cealalta parte cu eliminarea unui deseu,

f-intindere pe bara pentru marirea diametrului si reducerea sectiunii,

g-planare, calibrare, verificare

Fig.40 Succesiunea operatiilor la forjarea unei piese inel

2. Succesiunea operatiilor la forjarea unei piese arbore figura 41.

a-debitare semifabricat din laminat greu tip blum,

b-incalzire,

c-intindere la rotund,

d-crestare pentru delimitarea volumelor tronsoanelor de diametre diferite,

e-reincalzire, este posibil ca in cazul arborilor mari reincalzirea sa se faca inaintea intinderii fiecarui tronson de capat,

f-intindere la rotund pe fiecare tronson,

g-indreptare, calibrare, verificare

Fig.41 Succesiunea operatiilor la forjarea unei piese arbore

2 Forjarea in matrita

Forjarea in matrita este o tehnologie de deformare plastica la cald care consta din curgerea dirijata a materialului in cavitatea unei matrite avand configuratia in concordanta cu cea a piesei matritate. Procedeul asigura o precizie de prelucrare mai mare, o buna calitate a suprafetelor, adaosuri de prelucrare si tehnologice mici, consumuri reduse de material, productivitate ridicata, conditii de lucru mai usoare etc. costurile matritelor sunt insa destul de mari. Ca urmare a acestor caracteristici procedeul se aplica fiind economic, in productia de serie mare si de masa.

Alegerea procedeului de forjare are la baza corelarea a doi factori: numarul de piese si costul de fabricatie. Costul include trei elemente C_M-cheltuieli cu manopera, C_m-costul materialelor, C_SDV-costul sculelor dispozitivelor verificatoarelor. C=C_M+C_m+C_SDV. In conditiile forjarii libere cheltuielile de manopera sunt mari comparativ cu matritarea, procesul durand mai mult si fiind necesari chiar mai multi muncitori pentru aceeasi operatie; consumurile de material sunt mai mari fiind necesare adaosuri mai mari ca urmare a preciziei scazute; Cheltuielile cu sculele, dispozitivele si verificatoarele sunt mai reduse utilizandu-se SDV-uri universale. La matritare pentru fiecare piesa se realizeaza o matrita speciala, costul acesteia rasfrangandu-se direct asupra costului piesei. Pentru a se reduce costurile se impune realizarea prin matritare a unui numar mare de piese. Diagrama din figura 42 precizeaza modul de alegere a procedeului de forjare

Fig.42 Alegerea procedeului economic de forjare.

Clasificarea procedeelor de matritare

1.Dupa temperatura de deformare : la rece si la cald,

2.Dupa modul de deformare : matritare deschisa sau cu bavura si matritare inchisa sau fara bavura

3.Dupa utilajul de deformare : matritarea la ciocane, matritarea la prese (cu excentric,cu frictiune, hidraulice) si matritarea la masini specializate (masina de forjat orizontal, masina de forjare radiala, masina de forjare orbitala, ciocanele de forjare cu viteze mari etc.)

dupa viteza de deformare: cu viteze mici la prese hidraulice, cu viteze normale la ciocane, cu viteze mari la utilaje specializate.

Matritele reprezinta sculele de deformare construite din materiale rezistente la solicitari mecanice mari, la temperaturi mari cat si la uzura. In functie de configuratia matritelor se disting: matritarea deschisa sau cu bavura si matritarea inchisa sau fara bavura figura 43.

Fig.43 a).matritarea deschisa cu bavura b).matritarea inchisa fara bavura

Matritarea deschisa este cea mai utilizata, ansamblul matritei fiind mai simplu, semifabricatul nu necesita o precizie mare de debitare acesta fiind mai mare, surplusul de material fiind eliminat in canalul de bavura, scoaterea piesei din cavitatea matritei este usoara, semimatritele fiind prevazute cu inclinatii pe suprafetele perpendiculare pe planul de separatie.

Matritarea inchisa se aplica usor in cazul unor piese cu configuratie simpla adecvata care sa favorizeze extragerea, de asemenea se recomanda in cazul pieselor din materiale foarte scumpe, consumul fiind redus, precizia piesei fiind mai mare. Prezenta extractorului permite reducerea si chiar eliminarea inclinatiilor suprafetelor perpendiculare pe planul de separatie. Valoarea fortei de matritare calculate este mai mica fata de matritarea deschisa cu bavura caz in care la forta de deformare in locasul piesei se adauga forta de deformare a materialului in canalul de bavura.

Canalul de bavura prezinta doua parti: magazia bavurii si pragul sau puntita bavurii figura 4

Canalul de bavura are rolul de a prelua surplusul de material, semifabricatul de pornire avand volumul mai mare ca al piesei matritate. O dimensionare corecta a semifabricatului de pornire trebuie sa asigure o umplere de maxim 70% din volumul magaziei bavurii V_M. Prin materialul acumulat in magazia bavurii se impiedica lovirea celor doua semimatrite la inchidere acesta comportandu-se ca un amortizor. Dimensionarea pragului canalului de bavura a inaltimii h_p si a latimii l_p se realizeaza pornind de la conditia ca efortul intampinat , rezistenta la curgerea materialului in canalul de bavura s_b sa fie mai mare ca efortul intampinat, rezistenta la curgerea in cavitatea piesei s_p s_b>s_p. Se are in vedere in acelasi timp complexitatea si marimea piesei. , A_p este aria piesei matritate in planul de separatie. Prin modul in care este dimensionat, canalul de bavura asigura umplerea completa si sigura a locasului piesei . Conform legii minimei rezistente curgerea plastica a materialului se realizeaza in directia efortului minim intampinat.

Fig.44 Configuratia locasului de bavura

De modul de proiectare a canalului de bavura depinde durabilitatea matritei, umplerea completa a locasului piesei, pierderile de material prin bavura, dificultatile sau usurinta operatiei de debavurare. In functie de aceste cerinte se pot adopta mai multe variante constructive figura 45: a-canal de bavura unilateral sau b-canal de bavura bilateral cu puntita ingusta, pentru piese neimportante si piese de mica complexitate; c-canal de bavura bilateral cu puntita normala pentru piese curente; d-canal de bavura bilateral cu puntita lata sau e-canale de bavura multiple cu doua magazii pentru piese pretentioase de mare complexitate.

Fiog.45 Variante constructive de canale de bavura

Curgerea plastica a materialului la matritare are un caracter complex datorita starilor de tensiuni si deformare diferite de la o zona la alta a piesei si de la o etapa la alta a procesului. In prima etapa procesului I materialul curge liber, dezvoltandu-se stari de tensiune si deformare specifice refularii. Aceasta prima etapa de refulare se incheie o data cu atingerea de catre material a peretilor laterali ai cavitatii. In cea de a doua etapa II curgerea materialului va fi influentata de interactiunea acestuia cu peretii cavitatii ceeace determina o stare de tensiuni de compresiune spatiala intensa si o crestere mai accentuata a fortei. Etapa a doua se incheie o data cu intrarea semifabricatului in canalul de bavura. In cea de a treia etapa III are loc curgerea concomitenta a materialului in cavitatea piesei cit si a surplusului de material in canalul de bavura. Forta creste si mai mult atingand valoarea maxima F_M . Forta de matritare maxima are doua componente una determinata de deformarea in locasul de matritare si una de deformarea in locasul de bavura. F_M=p_pA_p+p_bA_b. in care:

P_p , p_p - presiunile pe locasul piesei si canalului de bavura,

A_p , A_b - Ariile in planul de separatie a locasului piesei si a canalului de bavura.

Etapele procesului de matritare sunt prezentate in figura 45si 46

Fig.45. Etapele procesului de matritare: a) alimentare semifabricat, b) refulare in locas, c) curgere in locasul de matritare, d) curgere simultana in locasul piesei si de bavura

Fig.46. Variatia fortei de matritare in cele trei etape ale procesului.

Tipuri de locasuri practicate in matrite.

a)     locasuri de finisare

b)     locasuri de degrosare

c)     locasuri pregatitoare

a) Locasurile finisoare reprezinta negativul piesei brut matritate la care se adauga canalul de bavura. Dimensiunile locasului de finisare se stabilesc tinand seama de adaosul de contractie la racire, cel de prelucrare prin aschiere prevazut pe suprafetele ce ulterior se vor supune aschierii si cel tehnologic prevazut pentru simplificarea configuratiei piesei, pentru facilitarea scoaterii din locas sau pe zonele si configuratiile prevazute a se obtine prin prelucrari ulterioare. Locasul finisor este insotit de canalul de bavura.

b) Locasurile de degrosare reprezinta de asemenea negativul piesei brut matritate caracterizandu-se prin aceea ca in plan orizontal dimensiunile sunt mai mici fata de dimensiunile locasului finisor iar in plan vertical dimensiunile sunt mai mari cu 15-20% fata de dimensiunile aceluiasi locas finisor. De asemenea latimea locasului de degrosare este mai mica decat a locasului finisor astfel incat la trecerea in locasul finisor semifabricatul sufera o refulare. O particularitate distincta este aceea ca locasul de degrosare nu mai este insotit de canal de bavura.

Fig.47 Dimensiunile locasurilor de degrosare si finisare.

c).Locasurile pregatitoare se folosesc cu scopul de a da semifabricatului o forma cat mai apropiata de a piesei matritate prin distribuirea materialului in lungul axei acestuia. In functie de operatia realizata in locas acestea pot fi: de intindere, de profilare, de latire, de gatuire, de ingrosare, de indoire, de refulare, de retezare, locasuri combinate, locasul pentru clestele de manipulare etc. In functie de modul de curgere plastica a materialului in locas acestea pot fi locasuri deschise in care materialul curge liber si locasuri inchise in care materialul curge ingradit.

-Locasul de intindere figura 48 serveste la reducerea sectiunii transversale pe diferite portiuni la semifabricatului concomitent cu marirea lungimii. Operatia se realizeaza inaintea altor operatii pregatitoare sau inainte de degrosare sau finisare. Locasul de intindere se plaseaza in lateral, drept sau inclinat in blocul matritei. Locasul poate fi deschis sau inchis, cel deschis conducand la o latire mai mare si prin urmare la o productivitate mai scazuta. In locas semifabricatul este antrenat intr-o miscare de translatie si una de rotatie secventiala care sa permita uniformizarea sectiunii. In concordanta cu aceste miscari semimatritele se inchid si se deschid ritmic asigurand presarea semifabricatului.

Fig.48 Schema locasului de intindere.

-Locasul se profilare figura 49 se utilizeaza in cazul in care semifabricatul trebuie deformat neuniform dea lungul axei. In zona cavitatilor semifabricatul isi mareste sectiunea iar in zona pragurilor si-o micsoreaza. Profilarea se realizeaza prin aplicarea unui numar mai mare de presari concomitent cu rotirea secventiala a semifabricatului in locas. Ca si locasurile de intindere locasurile de profilare pot fi deschise sau inchise acestea din urma asigurand o productivitate mai ridicata.

Fig.49 Schema locasului de profilare.

-Locasul de latire se utilizeaza pentru obtinerea unui semifabricat cu latiri locale fara alungiri substantiale si cu eventuale ingrosari pe portiunile invecinate zonelor de latire. Semifabricatul se introduce in locas si ramane nemiscat in timpul deformarii.

Fig.50 Locas de latire

-Locasul de indoire serveste la indoirea semifabricatului pentru aducerea acestuia la o forma corespunzatoare cu aceia a piesei in planul de separatie.

-Locasul de gatuire, locasul de ingrosare realizeaza distribuirea materialului in concordanta cu distribuirea volumelor de material in lungul axei piesei. Ca si in cazul locasului ce latire materialul nu se deplaseaza dupa introducerea in locas.

-Locasul de retezare serveste la separarea piesei matritate de restul semifabricatului atunci cand acesta se obtine din semifabricat bara de lungime mare sau pentru separarea piesei de capatul de manipulare. Locasul de retezare se pozitioneaza pe un colt al blocului de matritare.

-Locasurile combinate servesc pentru executarea a cel putin doua operatii pregatitoare simultan.

-Locasul pentru cleste asigura spatiul necesar apucarii semifabricatului cu clestele in vedere manipularii acestuia in timpul operatiei de deformare.

Proiectarea matritelor.

Matritele sunt scule care lucreaza in conditii deosebit de grele presiuni mari, socuri mecanice si termice, forte de frecare mari etc. Rezulta deci ca matritele trebuie executate din materiale care sa respecte toate aceste cerinte. Otelurile de scule pentru matrite sunt scumpe si pretentioase la prelucrare de aceea alegerea tehnologiei de matritare trebuie facuta judicios pe criterii tehnice dar si economice.

Proiectarea locasurilor de matritare se realizeaza pe baza desenului piesei brut matritatecare se obtine pornindu-se de la desenul piesei finite prin alegerea planului de separatie a semimatritelor, aplicarea adaosurilor, stabilirea inclinatiilor si racordarilor.

Criterii de alegere a planului de separatie PS:

-Adaosurile tehnologice sa fie cat mai mici. Exemple: In cazul sectiunii circulare planul de separatie trebuie sa coincida cu un plan diametral . orice alta varianta conduce la adaosuri mai mari pentru scoaterea piesei din locas si deci la pierderi suplimentare.

Fig.51Alegerea planului de separatie la sectiune circulara.

In cazul sectiunii patrate sau dreptunghiulare planul de separatie cel mai favorabil poate fi intr-un plan diagonal figura 52c caz in care adaosurile sunt zero sau intr-un plan de simetrie figura 52a care asigura adaosuri mici si adancimi mici ale locasurilor. Alegerea planului de separatie pe una din laturi figura 52b conduce la adaosuri mari si locasuri danci ceeace este foarte defavorabil.

Fig. 52 Alegerea planului de separatie la sectiune dreptunghiulara.

-Conturul locasurilor in planul de separatie a celor doua semimatrite trebuie sa fie identic pentru a permite sesizarea usoara a eventualelor deplasari in plan orizontal al semimatritelor figura 53 .

Fig.53 Alegerea planului de separatie care asigura contururi identice ale locasurilor.

-Planul de separatie trebuie sa fie drept si nu frant pentru a evita aparitia componentelor orizontale ale fortei de matritare care tind sa deplaseze semimatritele in plan orizontal, in acest sens va trebui conceputa configuratia piesei matritate. Exemplu: proiectarea unui maneton figura 5

Fig.54 Alegerea planului de separatie pentru piesa maneton.

Alegerea inclinatiilor si razelor de racordare.

In suprafata de contact a matritei cu semifabricatul apar forte de frecare care se opun scoaterii piesei din locas. Favorizarea scoaterii se poate face prin prevederea de inclinatii pe toti peretii perpendiculari pe planul de separatie. Valoarea acestor inclinatii se poate determina din conditia ca forta de scoatere sa fie nulaFigura 55.

Fig.55 Calculul inclinatiilor la matritare.

In cazul matritarii la cald cu ungere μ=0,2 iar α=11^o. In cazul matritarii obisnuite fara ungere sunt necesare unghiuri mult mai mari , pentru μ=0,3 rezulta α=16^o iar pentru μ=0,5 α=26^o ceeace determina si adaosuri tehnologice mai mari. In cazul in care se accepta forte de scoatere mai mari ca zero inclinatiile pot fi mai mici dar pentru scoaterea pieselor din locas sunt necesare extractoare.

Recomandari privind alegerea inclinatiilor:

-Inclinatiile din semimatrita superioara se aleg mai mari pentru ca in urma extragerii piesa sa ramana in semimatrita inferioara.

-Inclinatiile exterioare se vor alege mai mici deoarece la racire presiunea scade pe peretii exteriori si scoaterea este mai usoara,

-Inclinatiile interioare trebuie alese mai mari deoarece presiunea pe peretii interiori creste la racire.

Din punct de vedere constructiv se va evita constructia matritelor cu muchii ascutite. Muchiile interioare reprezinta concentratori de tensiuni atat in timpul tratamentului matritei cat si in timpul lucrului. Din aceste zone se poate initia fisurarea blocurilor matritelor. Muchiile exterioare se racordeaza de asemenea deoarece pe acestea se desfasoara curgerea plastica a materialului. Daca muchiile sunt ascutite ele se uzeaza repede, semifabricatul poate forma cute in timpul lucrului permitand aparitia suprapunerilor de material. Muchiile ascutite pot conduce si la forfecarea fibrelor.

Fig.56 Racordarea muchiilor.

Marimea razelor de racordare se face din considerente tehnice si economice. Cresterea excesiva a razelor de racordare conduce la cresterea adaosurilor de prelucrare, valorile prea mici conduc la concentratori periculosi de tensiuni.

Inclinatiile si racordarile se recomanda prin standarde in functie de marimea complexitatea si clasa de precizie in care se realizeaza prelucrarea.

Asezarea locasurilor in blocurile matritelor.

In proiectarea matritelor, respectiv la asezarea locasurilor in blocul matritelor se vor avea in vedere urmatoarele conditii:

-Momentul de incovoiere ce apare in tija ciocanului sau in culisoul presei de matritare in timpul deformarii trebuie sa fie nula. Pentru aceasta centrul de presiune al locasului trebuie sa fie pe axa tijei ciocanului respectiv a culisoului.

-Impiedicarea sau reducerea deplasarii semimatritelor in plan orizontal. Pentru aceasta se impune alegerea corecta a planului de separatie, amplasarea locasurilor incat sa se autoechilibreze componentele orizontale a fortelor de deformare, prevederea matritelor cu elemente de centrare cum ar fi coloane, bolturi sau umeri de centrare.

-Gabaritul matritelor sa fie redus,

-Amplasarea locasurilor sa se faca incat sa creeze conditii de deplasare rapida a semifabricatului de la un locas la altul,

-In cazul matritelor cu mai multe locasuri, centrul de presiune al blocului trebuie sa fie plasat pe axa blocului, centrul de presiune al locasului finisor sa fie de asemenea pe axa sau cat mai aproape de axa,

-Locasurile cele mai solicitate vor fi amplasate spre interiorul blocului matritei iar cele mai putin solicitate catre marginile blocului cum este cazul locasurilor pregatitoare de intindere, indoire, retezare etc.

-Locasurile se vor amplasa astfel incat partea mai grea a piesei sa fie mai aproape de lucrator pentru ca efortul de manevrare sa fie mai redus,

Cavitatile zonelor din piesa care se deformeaza mai greu sa se amplaseze in semimatrita superioara,

-Primul locas pregatitor se va amplasa in partea opusa ajutajului de aer comprimat de suflare a zgurii.

Utilaje pentru forjare si matritare

Principalele utilaje folosite pentru forjare libera si in matrita sunt: ciocanele si presele.

Ciocanele se utilizeaza pentru prelucrarea pieselor mici si mijlocii si realizeaza deformarea prin lovirea semifabricatului. Principalele tipuri de ciocane sunt ciocanele cu autocompresie si ciocanele actionate cu aer sau cu abur din sursa separata.

Ciocanele cu autocompresie figura 57 lucreaza cu aer comprimat produs de catre compresorul propriu si sunt cele mai raspandite utilaje pentru forjarea libera. Caracteristica tehnica esentiala a ciocanelor este greutatea partii cazatoare, greutatea berbecului. In cazul ciocanelor cu autocompresie aceasta nu depaseste 1000Kg iar presiunea aerului este cuprinsa intre 0,6-3daN/cm².

Fig.57 Ciocanul cu autocompresie

Dupa modul de actiune ciocanele cu autocompresie sunt cu simplu efect si cu dublu efect acestea din urma fiind de actualitate avand randament ridicat fiind simplu si usor de manevrat. La ciocanul cu dublu efect alaturi de efectul de presiune a aerului introdus pentru actionarea berbecului actioneaza si efectul de depresurizare creat in spatele cilindrului de lucru. Acest lucru mareste mult viteza berbecului si deci energia de lovire.

Constructie si functionare. In batiul 1 turnat din fonta se gasesc: cilindrul de compresie 2 si cilindrul de lucru 3 in care lucreaza cilindrul de compresie si respectiv cilindrul de lucru berbecul ciocanului 4 partea cazatoare. Actionarea cilindrului de compresie se face de la un motor electric M, o transmisie cu curele 5 si un mecanism biela manivela 6. In pozitia initiala pistonul de compresie se afla in punctul mort superior iar cel de lucru in punctul mort inferior adica in contact cu nicovala. In aceasta pozitie unghiul format de manivela cu biela este zero. Sistemul de distributie a aerului este format din doi robineti R₁ si R₂ care fac legaturile intre camerele A B C D ale cilindrilor, respectiv intre aceste camere si atmosfera in functie de pozitia parghiei de actionare 7.

Regimurile de lucru ale ciocanelor sunt:

-lovituri repetate cu frecventa constanta si intensitate redusa,

-lovituri izolate de mare intensitate,

-presarea piesei pe nicovala,

-mentinerea berbecului in pozitie ridicata, de asteptare,

-mersul in gol, cand aerul este trimis in atmosfera

Ciocanele cu abur sau cu aer comprimat din sursa separata figura 58 sunt cele mai folosite in sectiile de forjare si matritare pentru ca sunt cele mai puternice, permit o mare varietate de forte de lovire si sunt usor de manevrat. Dupa modul de constructie a batiului ciocanele pot fi cu o coloana pentru ciocanele mici, cu doua coloane pentru ciocanele mari cu masa partii cazatoare de peste 1000 Kg si tip portal pentru ciocanele foarte mari destinate prelucrarii pieselor agabaritice. La ciocanele mici berbecul poate fi neghidat sau ghidat pe tija cu glisor. La celelalte ciocane ghidarea se face cu ghidaje. La toate ciocanele sabota constituie un ansamblu separat cu fundatie independenta de mari dimensiuni pentru preluarea si amortizarea socurilor. Masa sabotei este de 40 ori mai mare decat masa berbecului. Principalele parti componente ale ciocanului cu doua coloane sunt: batiul 1 turnat din fonta sau otel cu doua coloane, sabota 2, cilindrul de lucru 3, berbecul ghidat 4, ghidaje 5 amplasate pe coloane, nicovale sau semimatrite 6, sistemul de distributie a aerului sau aburului sub presiune 7. Agentul abur sau aer este produs intr-o statie separata la o presiune de 8-10 atmosfere.

Fig.58 Ciocanul cu abur sau aer cu doua coloane.

Pentru evitarea condensarii si chiar inghetarii se impune preincalzirea aerului la 150-200^oC respectiv supraincalzirea aburului. Se asigura astfel si o reducere a consumului de agent de lucru cu 30-40%.

Energia de lovire are doua componente una cinetica E_c si una de presiune E_p .        E_T=E_c+E_p

unde:

v-viteza de lovire 8-9m/sec,

m-masa partii cazatoare 1000-5000Kg,

D-diametrul cilindrului de lucru,

p-presiunea agentului 8-10 daN/mm².

Regimurile de lucru sunt similare cu cele de la ciocanele cu autocompresie. Randamentul ciocanelor este 80-90% cu atat mai mare cu cat masa sabotei este mai mare.

Presa cu frictiune.

Presa cu frictiune figura 59 este un utilaj de tranzitie intre ciocane si prese deoarece deformeaza piesele prin lovire ca si ciocanele dar trepidatiile , socurile loviturilor nu se transmit in fundatie ci se amortizeaza in batiu ca la prese. Ca urmare a acestor caracteristici presele cu frictiune sunt foarte utilizate pentru o gama larga de operatii: operatii pregatitoare de indoire,  operatii de matritare, operatii ulterioare matritarii de debavurare, de calibrare etc.

Fig. 59 Presa cu frictiune.

Presa cu frictiune prezinta un batiu 1 sub forma unui cadru inchis turnat din fonta sau otel. In partea inferioara a cadrului se afla amplasata semimatrita inferioara 2 si canalele pentru amplasarea extractoarelor 3. In partea superioara a cadrului se afla motorul M care actioneaza o transmisie cu curele 4, roata de curea avand rol si de volant care la mersul in gol inmagazineaza energie pe care o cedeaza sistemului la lovire. Miscarea de rotatie n_v este transmisa discurilor de frictiune verticale D_v¹ si D_v² situate pe un ax ce se poate deplasa in plan orizontal cu ajutorul sistemului de parghii 5. In acest mod se poate schimba contactul discurilor verticale cu discul orizontal D_o de pe dreapta pe stanga si deci si sensul de rotatie a discului de frictiune orizontal. Discul orizontal este solidar cu surubul 6 care se roteste in piulita 7 realizand deplasarea pe verticala a berbecului ghidat 8. Cuplarea surubului cu berbecul se realizeaza cu articulatia sferica 9 iar ghidarea berbecului se face cu ghidajele10 montate pe cadrul batiului presei. Pe berbec se afla semimatrita superioara 11. Transmisia miscarii de la discurile verticale la cel orizontal se face prin frecare ceeace face ca randamentul energetic sa fie mai scazut ca urmare a alunecarilor ce se produc la inceputul si sfarsitul curselor in special.

Vitezele periferice ale contactului discurilor verticale si orizontal sunt egale. πD_vn_v= πD_on_o. In timpul unui ciclu de lovire contactul dintre discul vertical si cel orizontal se deplaseaza de la D_v¹_min la D_v¹_max turatia discurilor verticale n_v fiind constanta si de asemenea diametrul discului orizontal D_o fiind constant, rezulta ca turatia discului orizontal va creste de la n_omin la n_omax. Deci turatia surubului este crescatoare si implicit viteza de coborare a berbecului de la v_bmin =p_sn_omin la v_bmax=p_sn_omax unde p_s este pasul surubului.

Cu cat berbecul coboara mai mult apropiindu-se de semimatrita inferioara viteza creste si deci si intensitatea loviturii, aceaste fiind tot o asemanare a preselor cu frictiune cu ciocanele.

Energia de lovire este formata din doua componente o energie de giratie E_ω=Iω²/2 si o energie de translatie E_v=mv²/2. Componenta de giratie este foarte mare 95% din energia totala de lovire, datorita modulului de inertie I mare si a vitezei unghiulare ω foarte mare comparativ cu viteza de translatie v a berbecului.

Presa hidraulica

Presa hidraulica se utilizeaza din ce in ce mai mult in cazul forjarii libere si a matritarii pieselor mijlocii si mari cat si la alte operatii de prelucrare a materialelor prin presare. Presele hidraulice nu lucreaza cu socuri si nu transmit vibratii in fundatie.

Avantaje: prezinta constructie simpla, asigura forte mari de presare, deformare profunda a materialului, puterea si forta de apasare se pastreaza constanta pe toata lungimea cursei, culisoul presei poate fi oprit in orice moment si orice pozitie a cursei, viteza de lucru este mica dar poate fi modificata in limite largi.

Dezavantaje: viteza de lucru redusa, numar redus de curse duble pe minut maxim 80-100cd/min, productivitate redusa.

Fig.60 Presa hidraulica

Principalele parti componente ale presei hidraulice sunt: 1 traversa superioara fixa, 2-traversa mobila, 3-traversa inferioara fixa, 4 -coloane de ghidare, 5-cilindru hidraulic de lucru, 6-cilindri hidraulici de ridicare a traversei mobile, 7-nicovale sau semimatrite.

Pentru cresterea performantelor preselor hidraulice respectiv realizarea unei viteze mari de deplasare, a unei presiuni ridicate si a unui volum mare de agent hidraulic dislocat impune utilizarea unor grupuri de pompare foarte mari . Acest inconvenient se poate elimina prin utilizarea in instalatiile hidraulice a acumulatorilor si multiplicatorilor de presiune.

Acumulatorii de presiune sunt pneumo-hidraulici si permit inmagazinarea agentului hidraulic la presiune ridicata sub o perna de aer. Mentinerea presiunii se poate astfel realiza in toate momentele, nu numai in timpul cursei active.

Presa cu excentric.

Presa cu excentric figura61 sau maxi-presa reprezinta utilajul cel mai adecvat pentru matritarea pieselor de serie mijlocie si mare. Din punct de vedere constructiv presele cu excentric pot fi: cu arbore cotit, cu manivela, cu cama.

Fig.61 Presa cu excentric.

Principalele parti componente ale presei cu excentric sunt: M-motorul electric, 1-transmisie cu curele, 2-angrenaj cu roti dintate, 3-ambreaj cu discuri actionat cu aer comprimat, pentru cuplarea miscarii, 4-arbore cotit, 5-frana cu banda pentru oprirea culisoului la punctul mort superior 6-culisoul presei, 7-ghidaje, 8-semimatrite, 9-batiu.

Presele cu excentric sunt rigide pentru a se evita deformatiile, au ghidaje puternice pentru a asigura o precizie buna. Scoaterea pieselor din matrita se face automat cu ajutorul extractoarelor. Vitezele de presare sunt mici 0,2-1,0m/sec. Fata de 8-10m/sec la ciocane, ca urmare umplerea celor doua semimatrite este aproximativ identica. La matritarea pieselor complexe sunt necesare mai multe locasuri pregatitoare, matritarea realizandu-se in mai multe etape. Acest lucru este impus de faptul ca inchiderea matritei trebuie sa fie completa la o singura presare.

Avantaje: precizie mare datorita cursei rigide, productivitate mare 50-80% mai mare ca la ciocane, adaosuri mici de prelucrare si tehnologice inclinatii mici datorita utilizarii extractoarelor, durabilitate mare a matritelor deoarece nu se lucreaza cu socuri mari ca la ciocane, nu se transmit vibratii in fundatie.

Dezavantaje: costuri ridicate ale utilajelor, grad mare de complexitate, intretinere mai dificila, necesitatea utilizarii unui numar mare de locasuri in cazul pieselor care necesita grade de deformare mari.

Operatii ulterioare procesului de matritare.

Principalele operatii dupa matritare sunt: debavurarea, curatirea, indreptarea, calibrarea, tratamentul termic, controlul tehnic de calitate.

Debavurarea se aplica pieselor obtinute prin matritare deschisa, fiind o operatie de separare. Utilajul indicat pentru aceasta operatie este presa cu frictiune, presa cu excentric si mai rar presa hidraulica. Operatia se realizeaza in stante de decupat sau perforat. Se poate realiza la cald la temperatura de sfarsit de matritare cu forte mai mici dar in acest caz productivitatea depinde de cea a utilajului de matritare sau la rece cu forte mai mari dar putandu-se obtine o productivitate mai mare realizandu-se independent de operatia de matritare. Stantele de debavurare pot fi simple sau combinate de decupare si perforare, cu sau fara extractoare sau dispozitive de extragere a pieselor din locas.

Curatirea pieselor matritate se poate realiza prin: tobare, sablare, decapare si asigura curatirea superficiala de oxizi, arsuri, si alte defecte localizate superficial.

Curatirea prin tobare se aplica la piese de dimensiuni mici. Acestea se introduc intr-o toba cilindrica rotativa care se roteste cu viteza mica 20-60rot/min. In timpul rotirii piesele se lovesc intre ele si de asemenea cu elemente abrazive din sparturi de pietre abrazive, sparturi de fonta sau alte materiale dure introduse in toba. Prin lovire se disloca peliculele de oxizi se rotunjesc muchiile, suprafetele devin netede si mate.

Sablarea este un procedeu de curatire care consta in lovirea suprafetei pieselor cu un jet puternic de nisip de cuart uscat sau de alice de otel sau fonta. Procedeul se poate aplica la piese de orice marime si forma fara restrictii. Jetul de nisip sau alice are o presiune de 5-7atm. iar dimensiunile granulelor 1-2,5mm. Productivitatea este cu atat mai mare cu cat granulele sunt mai mari. Prin inlocuirea nisipului cu alice productivitatea creste de 2-3 ori, de asemenea creste durabilitatea materialului abraziv e acesta putand fi recuperat integral si refolosit. Jetul de material abraziv se poate realiza cu aer comprimat sau in centrifuge cu paleti.

Decaparea este curatirea chimica a suprafetelor. Procedeul se aplica la piese de orice forma dar de volum limitat de marimea bailor de decapare. Decaparea este un ansamblu de reactii chimice electrochimice si procese macanice care permit curatirea suprafetelor. Decaparea cu ajutorul acizilor este cea mai raspandita utilizind H₂SO₄, HCl, H₃PO₄, HNO₃ sau amestecuri ale acestor acizi.

Principalele reactii la decaparea cu H₂SO₄ sunt:

1) Fe₂O₃+ 3H₂SO₄= Fe₂(SO₄)₃+3H₂O

2) Fe₃O₄+ 4H₂SO₄= FeSO₄ Fe₂(SO₄)₃+4H₂O

3) FeO+ H₂SO₄= FeSO₄+ H₂O

4) Fe+ H₂SO₄= FeSO₄+ H₂

Reactia cea mai importanta este reactia 3 FeO este solubil si faciliteaza dislocare tunderului sub forma de placi si de asemenea reactia 4 ca urmare a efectului mecanic al bulelor de hidrogen care se degaja. Reactia 4 conduce insa la un consum mare de metal si de aceea ea se controleaza si se limiteaza cu inhibitori. Cresterea productivitatii decaparii se realizeaza prin incalzirea la 40-60^oC si agitarea permanenta a baii de decapare. Dupa decapare este necesara spalare cu apa si neutralizare in solutii alcaline slabe.

Curatirea se mai poate realiza si mecanic cu perii, cu dalti pneumatice, prin polizare etc.

Indreptarea si calibrarea. In timpul operatiilor pot apare deformatii in planul de separatie, deformatii perpendiculare pe planul de separatie, indoiri, rasuciri etc. Cauzele acestor deformatii pot fi: scoaterea fortata a piesei din locas, aruncarea pieselor dupa matritare, debavurarea necorespunzatoare, asezarea necorespunzatoare la incalzirea pentru tratamentul termic etc. Indreptarea si calibrarea se pot realiza la cald sau la rece. Operatia se poate face in locasul de finisare sau in locasuri speciale de indreptat si calibrat cat si pe utilaje separate de utilajul de matritare.

Tratamentele termice aplicate pieselor matritate.

In timpul procesului de deformare plastica sau a operatiilor ulterioare apar modificari ale structurii care pot conduce la scaderea proprietatilor fizico-mecanice, aparitia de tensiuni interne, a structurii grosolane, a unei cruste dure etc. Inlaturarea acestor neajunsuri se realizeaza prin aplicarea tratamentelor termice. Principalele tratamente termice aplicate pieselor forjate si matritate sunt recoacerile si mai rar calirea si revenirea.

Recoacerea completa se aplica otelurilor hipoeutectoide si eutectoide. Nu se recomanda la otelurile hipereutectoide datorita aparitiei cementitei in retea.

Recoacerea incompleta se aplica la otelurile hipereutectoide, asigurand o buna dispersie a cementitei si finete perlitei, oprelucrabilitate buna prin aschiere. Nu se recomanda otelurilor hipoeutectoide pentru ca determina formarea unei ferite grosolane.

Recoacerea de detensionare sau recoacerea subcritica se aplica otelurilor cu tensiuni interne pe care le reduce la zero dar conduce la structura omogena dar grosolana.

Recoacerea izoterma constand din austenitizare, racire la 680-700^oC pentru transformarea austenitei in perlita urmata de racire lenta. Se recomanda pieselor din oteluri aliate conducand la o structura cu perlita fina.

Recoacere de normalizare constand din austenitizare urmata de racire in aer linistit, conduce la structura fina cu prelucrabilitate prin aschiere buna.

Calire si revenire se aplica pieselor care nu mai prelucreaza prin aschiere dupa matritare ci eventual ajustarii sau rectificarii.

Controlul pieselor forjate si matritate.

Controlul vizual cu ochiul liber sau cu lupa cu marire de circa 10 ori permite evidentierea imprimarilor, a crapaturilor, a suprapunerilor de material, a imprimarilor de oxizi, a dezaxarilor, indoiturilor etc. Suprafetele se pregatesc prin curatire si prin aplicarea lichidelor penetrante.

Controlul dimensional se realizeaza cu aparate de masura si control obisnuite sau specifice pentru a stabili daca forma si dimensiunile se incadreaza intre limitele tolerate.

Controlul caracteristicilor mecanice prin: incercari de duritate, incercarea de tractiune, incercarea de rezilienta etc. Piesele care se vor supune ulterior prelucrarii prin aschiere trebuie sa aiba duritatea HB<220daN/mm², peste aceasta valoare aschierea este dificila.

Controlul nedestructiv pentru evidentierea defectelor interioare, controlul cu ultrasunete si mai rar controlul cu radiatii X. Se aplica in cazul pieselor de importanta deosebita confectionate din materiale sensibile la fisurare, crapare sau aparitia defectului de fulgi de hidrogen.

Operatii de prelucrare a tablelor subtiri.

Piesele obtinute din table subtiri au o larga utilizare inlocuind piese obtinute prin alte procedee. Se obtine astfel reducerea greutatii specifice a produselor cu 20-50%, reducerea consumurilor de materiale cu 20-70%, reducerea volumului de munca cu 50-80%, red8cerea costurilor de fabricatie si cresterea productivitatii.

Clasificarea operatiilor de prelucrare a tablelor subtiri.

Operatii de separare: -forfecarea

-stantarea: decuparea, perforarea, retezarea, sectionarea, tunderea, crestarea, calibrarea.

Operatii de deformare: -indoirea: curbarea, roluirea.

-ambutisarea

-fasonarea: reliefarea, umflarea, gatuirea, rasfrangerea, bordurarea, planarea etc.

Operatii combinate.

Operatii de asamblare